Caractéristiques des sols et production de biomasse

a) De haut en bas : la couche de feuilles et de brindilles est la litière (O) ; la couche brun très sombre et grumeleuse est l'horizon A, humifère ; la couche brun-ocre riche en argiles est l'horizon B ; la couche de cailloux de granite altéré est l'horizon C ; le granite massif est la roche-mère (R).

b) La fraction minérale provient de l'altération du granite : fragmentation de la roche (visible dans l'horizon C), puis transformation chimique de certains minéraux en argiles, avec libération d'ions. La fraction organique provient de la décomposition de la litière (feuilles, bois, organismes morts) produite par la chênaie.

c) L'horizon A reçoit directement les débris de la litière : les décomposeurs y transforment la matière organique en humus, de couleur sombre. C'est aussi l'horizon le plus riche en nourriture, en racines et en air, donc le plus peuplé (vers, arthropodes, champignons, bactéries).

d) L'altération est maximale en surface et diminue avec la profondeur : les horizons supérieurs ne contiennent plus de fragments de roche reconnaissables, l'horizon C contient des morceaux de granite de moins en moins altérés, et la roche est intacte à la base. Ce gradient montre que la roche a d'abord été attaquée en surface, puis que l'altération a progressé vers le bas : le sol s'est bien formé du haut vers le bas.

a) Le séchage à 105 °C évapore l'eau sans brûler la matière organique. Masse d'eau = 250 − 205 = 45 g. Teneur en eau = 45 ÷ 250 × 100 = 18 % de la terre fraîche.

b) La perte de masse pendant la calcination correspond à la matière organique : 205 − 196,8 = 8,2 g. Teneur = 8,2 ÷ 205 × 100 = 4 % de la terre sèche.

c) La matière organique est formée de molécules carbonées : à 550 °C, elle brûle et se transforme en CO₂ et en vapeur d'eau, qui s'échappent. Les minéraux (quartz, argiles…) ne sont pas combustibles : ils restent dans le creuset. La perte de masse mesure donc la seule matière organique.

d) L'air du sol n'est pas mesuré : il occupe les pores, sa masse est négligeable et il s'échappe dès le prélèvement ; il faudrait mesurer un volume (la porosité), pas une masse. De même, les êtres vivants sont comptés avec la matière organique : ces mesures ne permettent pas de les distinguer de l'humus.

a) Faux. Les débris encore reconnaissables forment la litière. Correction : l'humus est une matière organique transformée, sombre, sans structure reconnaissable et stable, issue de l'humification de la litière.

b) Vrai. La minéralisation dégrade complètement la matière organique en CO₂, eau et ions minéraux (NH₄⁺, NO₃⁻, phosphates…), que les racines absorbent : c'est ce qui recycle les éléments dans l'écosystème.

c) Vrai. Les microorganismes produisent les enzymes qui transforment chimiquement les molécules organiques ; la faune du sol, elle, fragmente surtout les débris, ce qui facilite leur action.

d) Faux. Les roches fournissent la fraction minérale du sol, par altération ; l'humus vient de la matière organique. Correction : les vers de terre ingèrent de la terre et des débris végétaux, les fragmentent et les mélangent aux argiles dans leur tube digestif, ce qui favorise l'humification et la formation du complexe argilo-humique.

a) Sol P : les argiles dominent (42 %) → texture argileuse. Sol Q : les sables dominent largement (78 %) → texture sableuse.

b) Les argiles sont des particules très fines : entre elles, les pores sont minuscules et nombreux, et leur surface totale est immense, ce qui retient l'eau. L'humus retient lui aussi l'eau. Entre les grains de sable, les pores sont larges : l'eau s'écoule rapidement en profondeur. Le sol P, riche en argiles et plus riche en matière organique (3,1 % contre 0,9 %), a donc la meilleure réserve en eau.

c) La CEC dépend des constituants chargés négativement, c'est-à-dire des argiles et de l'humus. Le sol P en contient beaucoup (42 % d'argiles, 3,1 % de matière organique) : sa CEC est élevée (24,5 cmol+/kg). Le sol Q en contient peu (8 % et 0,9 %) : sa CEC est faible (3,8 cmol+/kg). Rapport : 24,5 ÷ 3,8 ≈ 6,4 : le sol P peut retenir environ six fois plus de cations que le sol Q.

d) Les nitrates sont des anions : aucun complexe ne les retient, et le sol Q, très perméable, laisse l'eau s'infiltrer vite. Une forte pluie de printemps entraînera une grande partie de l'engrais sous les racines avant que les jeunes plantes, aux besoins encore faibles, ne l'absorbent : perte d'argent et pollution de la nappe. Meilleure pratique : fractionner l'apport en plusieurs petites doses au rythme des besoins de la culture, ajuster la dose au besoin réel et enrichir le sol en matière organique (compost) pour améliorer sa rétention d'eau.

a) L'entonnoir n° 1 est un témoin : il montre que le papier filtre ne retient aucun des deux colorants. L'entonnoir n° 2 est un second témoin : il contient des grains minéraux sans argiles ni humus (sable lavé) et montre qu'une simple filtration à travers des grains ne retient pas les colorants. Entre les entonnoirs n° 2 et n° 3, la seule différence est donc la présence des constituants propres à la terre.

b) Avec la terre, le filtrat de bleu de méthylène est incolore alors que celui d'éosine reste rose : la terre retient le colorant chargé positivement et laisse passer le colorant chargé négativement. Comme ni le papier ni le sable ne retiennent le bleu, cette rétention est due à des constituants de la terre.

c) Une particule chargée positivement est attirée par des charges négatives ; une particule chargée négativement est repoussée. Certains constituants de la terre portent donc des charges négatives : ce sont les argiles et l'humus, associés dans le complexe argilo-humique.

d) Le chauffage a détruit l'humus : seules les argiles portent encore des charges négatives. Le nombre de sites capables de fixer des cations a diminué (la CEC a baissé), donc une partie du bleu n'est plus retenue et traverse la terre. Ce résultat montre que l'humus contribue fortement à la rétention des cations.

a) S = 9,8 + 1,6 + 0,55 + 0,15 = 12,1 cmol+/kg.

b) Taux de saturation = S ÷ CEC × 100 = 12,1 ÷ 14,5 × 100 ≈ 83,4 %.

c) Les sites non occupés par des cations basiques portent des ions acides, surtout H⁺ (et Al³⁺) : 14,5 − 12,1 = 2,4 cmol+/kg.

d) Nouveau taux = 8,7 ÷ 14,5 × 100 = 60 %. Les ions acides occupent désormais 14,5 − 8,7 = 5,8 cmol+/kg : le sol s'est acidifié, car les récoltes ont exporté du calcium et du magnésium, et les pluies en ont lessivé une partie, remplacée sur le complexe par des H⁺. Un sol acide rend certains ions moins disponibles et réduit l'activité des vers de terre et des bactéries. Le chaulage apporte des ions Ca²⁺ qui s'échangent contre les H⁺ du complexe (le carbonate neutralise ces H⁺) : le taux de saturation et le pH remontent, et les ponts calciques stabilisent la structure. La CEC, elle, ne change pas : le chaulage modifie l'occupation des sites, pas leur nombre.

a) Rapports semis direct / labour : vers de terre : 214 ÷ 58 ≈ 3,7 ; biomasse de vers : 1,7 ÷ 0,45 ≈ 3,8 ; infiltration : 41 ÷ 7 ≈ 5,9 ; matière organique : 2,7 ÷ 1,8 = 1,5. La parcelle en semis direct abrite près de quatre fois plus de vers, laisse l'eau s'infiltrer près de six fois plus vite et contient 1,5 fois plus de matière organique en surface.

b) Les vers de terre creusent des galeries verticales et continues qui forment des chemins pour l'eau de pluie ; plus ils sont nombreux, plus ce réseau est dense. L'eau s'infiltre alors vite au lieu de stagner ou de ruisseler, ce qui limite l'érosion et recharge la réserve en eau du sol.

c) Les vers ingèrent à la fois de la terre (argiles) et des débris végétaux ; dans leur tube digestif, ces éléments sont broyés et intimement mélangés, ce qui favorise l'association argiles–humus. Leurs rejets (turricules) sont des agrégats riches en complexe argilo-humique, stabilisés par des ponts calciques et du mucus : ils donnent au sol une structure grumeleuse stable.

d) Hypothèse 1 : le labour détruit les galeries et blesse ou tue des vers, et les expose aux oiseaux en les ramenant en surface. Hypothèse 2 : sans couvert végétal et avec moins de résidus en surface, les vers disposent de moins de nourriture (matière organique plus faible : 1,8 % contre 2,7 %) et d'un abri moins favorable (sol nu exposé au froid et à la sécheresse).

a) Le rendement augmente de 5,8 t/ha sans azote jusqu'à un maximum de 11,0 t/ha pour 200 kg N/ha, puis se stabilise (10,9 t/ha pour 250 kg N/ha). Gains successifs : de 0 à 50 : + 2,3 t/ha ; de 50 à 100 : + 1,8 t/ha ; de 100 à 150 : + 0,9 t/ha ; de 150 à 200 : + 0,2 t/ha ; de 200 à 250 : − 0,1 t/ha. Chaque tranche d'azote rapporte moins que la précédente, jusqu'à un palier vers 200 kg N/ha.

b) Aux faibles doses, l'azote est le facteur limitant : indispensable à la fabrication des protéines et de la chlorophylle, il conditionne la croissance et la photosynthèse, donc la production de biomasse. Quand l'apport couvre les besoins de la plante, l'azote n'est plus limitant : un autre facteur le devient (eau, lumière, température, potentiel de la variété). Ajouter de l'azote n'a alors plus d'effet. La légère baisse à 250 kg N/ha (0,1 t/ha) est trop faible pour être interprétée sans répétitions de l'essai.

c) Les pertes augmentent modérément de 0 à 150 kg N/ha (de 23 à 44 kg N/ha, soit + 21), puis beaucoup plus vite de 150 à 250 (de 44 à 97, soit + 53). Même sans engrais, des nitrates issus de la minéralisation de l'humus sont perdus. Les nitrates sont des anions : le complexe argilo-humique, chargé négativement, ne les retient pas ; ils restent dans la solution du sol et sont entraînés par l'eau de drainage. Tant que la plante absorbe l'azote apporté, les pertes restent limitées ; quand la dose dépasse ce qu'elle absorbe, l'excès reste en solution et est lessivé.

d) Entre 200 et 250 kg N/ha, le rendement ne progresse pas (− 0,1 t/ha) alors que les pertes augmentent de 97 − 68 = 29 kg N/ha : l'affirmation est fausse, les 50 derniers kilogrammes sont perdus pour la culture et polluent la nappe. Entre 150 et 200 kg N/ha, le gain n'est que de 0,2 t/ha (environ 2 %) pour 24 kg N/ha de pertes en plus, soit une hausse d'environ 55 %. Une dose d'environ 150 kg N/ha est un bon compromis : elle donne 10,8 t/ha, soit 10,8 ÷ 11,0 ≈ 98 % du rendement maximal, avec des pertes nettement plus faibles. Fractionner cet apport au rythme de la croissance du maïs réduirait encore le lessivage.

a) Les lots A et B ne diffèrent que par la présence d'êtres vivants : leur comparaison teste le rôle des organismes du sol. Les lots A et C ne diffèrent que par l'ajout de litière : leur comparaison permet de séparer ce qui provient de la litière de ce qui provient de la matière organique déjà présente dans la terre (humus) ; le lot C sert de témoin pour la minéralisation de l'humus.

b) Dans le lot B, stérile, le dégagement de CO₂ est quasi nul (9 mg/kg) et l'azote nitrique ne varie pas (6 → 6 mg N/kg) : il n'y a pas de minéralisation. Dans le lot A, qui contient la même terre et la même litière mais des êtres vivants, 820 mg/kg de CO₂ sont dégagés et l'azote nitrique passe de 6 à 43 mg N/kg. La seule différence entre A et B étant la présence d'êtres vivants, la minéralisation est due aux décomposeurs (bactéries et champignons).

c) Azote nitrique produit dans A : 43 − 6 = 37 mg N/kg ; dans C (humus seul) : 19 − 6 = 13 mg N/kg. La litière seule a donc fourni 37 − 13 = 24 mg N par kg de terre, soit 24 × 0,5 = 12 mg pour le lot de 500 g.

d) Les décomposeurs utilisent la matière organique comme source d'énergie : par la respiration, ils l'oxydent en CO₂ et en eau. Le carbone de la matière organique minéralisée repart donc sous forme de CO₂, tandis que son azote est libéré sous forme d'ions (NH₄⁺ puis NO₃⁻). Plus la minéralisation est intense, plus le dégagement de CO₂ est important. Les données le confirment : le lot A dégage le plus de CO₂ et produit le plus de nitrates, le lot C est intermédiaire, le lot B ne produit ni l'un ni l'autre.

e) Le brûlage envoie dans l'atmosphère, sous forme de CO₂, le carbone qui aurait nourri l'humus ; une partie de l'azote est aussi perdue sous forme gazeuse. Les cendres apportent quelques ions (K⁺, Ca²⁺), mais à long terme la teneur en matière organique baisse : la CEC diminue, les agrégats deviennent moins stables, le sol retient moins l'eau et s'érode plus facilement. Les décomposeurs, privés de nourriture (et tués en surface par la chaleur), sont moins nombreux : la minéralisation fournit moins d'ions. La fertilité physique, chimique et biologique diminue, ce qui oblige à apporter davantage d'engrais pour maintenir la production de biomasse.

a) Volume de terre perdu par hectare : V = masse ÷ masse volumique = 32,5 ÷ 1,3 = 25 m³. Réparti sur 10 000 m², il correspond à une épaisseur e = 25 ÷ 10 000 = 0,0025 m, soit 2,5 mm par an.

b) Rapport perte / formation : 32,5 ÷ 0,9 ≈ 36 : sur sol nu, le sol disparaît environ 36 fois plus vite qu'il ne se forme. Disparition de l'horizon A : 300 mm ÷ 2,5 mm/an = 120 ans. Épaisseur formée par an : 0,9 ÷ 1,3 ≈ 0,692 m³/ha, soit 0,692 ÷ 10 000 ≈ 0,000 069 m ≈ 0,069 mm/an ; reconstitution de 30 cm : 300 ÷ 0,069 ≈ 4 300 ans environ (calcul non arrondi : ≈ 4 333 ans).

c) Quelques générations humaines suffisent à détruire un horizon que la nature met plusieurs millénaires à reconstituer. À l'échelle d'une vie, un sol érodé ne se reforme pas : c'est une ressource non renouvelable à l'échelle humaine, qu'il faut préserver plutôt que réparer.

d) Réduction = (pertes sur sol nu − pertes avec la pratique) ÷ pertes sur sol nu × 100. Un inter-rang sur deux : (32,5 − 9,6) ÷ 32,5 × 100 ≈ 70,5 % ; tous les inter-rangs : (32,5 − 3,4) ÷ 32,5 × 100 ≈ 89,5 % ; paillis : (32,5 − 1,1) ÷ 32,5 × 100 ≈ 96,6 %. Plus la surface est couverte, plus les pertes diminuent.

e) La couverture (herbe ou écorces) amortit l'impact des gouttes de pluie, qui sinon détachent les particules et forment une croûte ; elle freine le ruissellement. Les racines de l'herbe retiennent la terre et créent des pores qui favorisent l'infiltration ; l'herbe et le paillis apportent de la matière organique qui stabilise les agrégats et nourrit la faune du sol. Conséquences de l'érosion : perte de l'horizon A, le plus riche en humus, en complexe argilo-humique et en ions, donc moins d'éléments nutritifs disponibles ; sol aminci dont la réserve en eau diminue, d'où un stress hydrique estival plus marqué. La production de biomasse (bois, feuilles, raisins) baisse. Nuance : l'herbe consomme aussi de l'eau, ce qui explique qu'on enherbe parfois un inter-rang sur deux seulement.