Annabi, Mohamed (2005) Stabilisation de la structure d'un sol limoneux par des apports de composts d'origine urbaine: relation avec les caractéristiques de leur matière organique. PhD thesis agronomie, INAPG.

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Abstract

La stabilité de la structure des sols limoneux, qui dépend des teneurs et de la dynamique des matières organiques, est un des déterminants de la dégradation physique de ces sols allant de la formation de croûtes de battance aux risques d'érosion hydrique. Une grande proportion de ces sols ont des teneurs faibles en matières organiques. C'est pourquoi, les apports de matières organiques d'origine résiduaire pourraient contribuer à stabiliser leur structure et à limiter les risques d'érosion.
Ce travail se propose d'évaluer les effets de trois types de composts urbains (compost de boue, de biodéchets, d'ordures ménagères résiduelles) sur la stabilité de la structure d'un sol limoneux. Le type de déchets compostés, et le degré de maturité des composts (peu stabilisés dits "immatures" bien stabilisés dits "mûrs") sont pris en compte pour interpréter les résultats observés, entre autres via leurs effets sur certaines composantes microbiennes (biomasse microbienne totale et biomasse fongique) et physico-chimiques du sol (polysaccharides, hydrophobicité) dont on sait qu'ils sont des facteurs stabilisants de la structure. Les effets des composts sur la stabilité des agrégats et sur la résistance d'un lit de semence à l'action destructive des gouttes de pluie sont mesurés en conditions contrôlées de laboratoire et au champ.
Au laboratoire, des incubations de mélanges sol-compost sont menées à 2 températures (28 et 4°C) pour moduler l'activité microbienne. Les composts immatures permettent une forte stabilisation des agrégats, en liaison avec la stimulation de la microflore des sols, particulièrement la microflore fongique à faible température. Cette stimulation microbienne conduit à l'augmentation de l'hydrophobicité des agrégats, permettant une meilleure résistance au phénomène d'éclatement lors de leur humectation. L'efficacité des composts immatures augmente avec leur teneur en cellulose et en lipides. L'effet stabilisant des composts immatures diminue avec le temps, plus lentement à 4°C qu'à
28 °C en relation avec la rémanence de la matière organique facilement biodégradable de composts.
L'addition des composts mûrs permet également la stabilisation des agrégats avec une efficacité moindre que les composts immatures, mais de façon plus durable dans le temps. Les 3 composts mûrs ont des effets similaires, qui seraient plutôt dûs à leur richesse en substances humifiées améliorant la cohésion des agrégats. En fin d'incubation, la stabilité des agrégats est similaire avec les composts mûrs ou immatures.
L'effet des mêmes types de compost sur la stabilité de la structure dans l'horizon labouré, est mesuré au champ dans un essai de longue durée mis en place en 1998. Un effet positif des composts sur l'amélioration de la stabilité des agrégats est observé, avec cependant un rôle déterminant du facteur histoire climatique. La comparaison entre les résultats obtenus au laboratoire et ceux de l'essai au champ montre que la hiérarchie de l'efficacité des produits est respectée avec une efficacité plus importante du compost d'ordures ménagères résiduelles dont la MO est la plus biodégradable. A cette échelle d'étude on a également suivi la dégradation du lit de semence au fur et à mesure des événements pluvieux. Les composts ont permis l'atténuation de la vitesse de fermeture de la surface du sol sous des pluies de faible intensité, mais n'ont pas pu protéger le sol sous pluie orageuse.

Table of content

INTRODUCTION - 1
CHAPITRE I SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE - 5
1. La structure du sol, composante majeure de la fertilité des sols - 5
1.1. Définitions - 5
1.1.1. Structure du sol - 5
1.1.2. Hiérarchisation de la structure - 8
1.1.3. Stabilité de la structure - 8
1.2. Lien entre la structure et les autres propriétés d'un sol - 8
1.3. Conséquences de la dégradation de la structure du sol - 9
2. Agents et mécanismes de l'agrégation - 10
2.1. Agents Chimiques et biologiques - 10
2.1.1. Argiles - 10
2.1.2. Sesquioxydes métalliques - 11
2.1.3. Calcium - 11
2.1.4. Matières organiques - 11
2.2. Agents mécaniques - 11
3. Mécanismes et conséquences de la désagrégation - 12
3.1. Mécanismes de désagrégation - 12
3.2. Formation des croûtes de battance - 14
3.3. Erosion hydrique - 15
4. Méthodes d'évaluation de la stabilité de la structure du sol - 17
4.1. Stabilité des microagrégats - 18
4.2. Stabilité des macroagrégats - 18
4.3. Influence des conditions de réalisation des tests - 21
4.4. Interprétation des tests de mesure de la stabilité des agrégats - 22
4.5. Choix d'une méthode - 23
5. Méthodes d'évaluation de la formation des croûtes de battance - 24
6. Rôle des matières organiques dans la stabilité de la structure des sols - 26
6.1. Localisation et nature du carbone organique dans la structure du sol - 26
6.2. Lien entre teneurs en matière organique et stabilité de la structure dans les sols - 26
6.3. Nature des matières organiques actives dans la stabilisation de la structure du sol et mécanismes impliqués - 29
6.3.1. Mécanismes impliqués - 29
6.3.2. Rôle des matières organiques vivantes - 30
6.3.3. Rôle des matières organiques non vivantes - 32
6.4. Modèles reliant la matière organique à la structure du sol - 35
7. Effet des produits résiduaires organiques sur les propriétés physiques des sols - 38
7.1. Les produits résiduaires organiques - 38
7.2. Apport de PRO et porosité du sol - 39
7.3. Effets des PRO sur les propriétés de rétention en eau des sols - 39
7.4. Réduction des phénomènes d'érosion après apport de PRO - 39
7.5. Effet des PRO sur la stabilité structurale - 40
7.5.1. Agents et mécanismes en jeu - 46
7.5.2. Indicateurs d'effet des produits résiduaires organiques sur la stabilité structurale - 47
8. Contexte français du recyclage des PRO en agriculture - 48
9. Compost et compostage - 49
9.1. Qu'est ce que le compostage - 49
9.2. Les déchets d'origine urbaine susceptibles d'être compostés - 50
9.3. Evolution des principales caractéristiques du compost au cours du compostage - 51
9.4. Evolution de la matière organique des composts au cours du compostage - 53
9.4.1. Stabilisation de la matière organique des composts au cours du compostage - 53
9.4.2. Evolution de la composition biochimique de la matière organique des composts au cours du compostage - 53
9.4.3. Evolution de la composition chimique de la matière organique des composts au cours du compostage: mise en évidence par analyses spectrales - 54
9.4.4. Notion de maturité des composts - 54
10. Conclusion de l'étude bibliographique et objectifs du travail - 57
CHAPITRE II MATERIELS ET METHODES - 61
1. Le dispositif au champ - 61
2. Les composts utilisés - 63
2.1. Présentation - 63
2.2. Evaluation du degré de maturité des composts - 65
2.2.1. Test d'auto-échauffement - 65
2.2.2. Test de respirométrie ou AT4 - 65
2.2.3. Extractions des fractions humiques et fulviques - 66
2.3. Caractérisation physico-chimique des composts - 66
2.4. Caractérisation de la matière organique des composts - 67
2.4.1. Fractionnement biochimique de la matière organique des composts - 67
2.4.2. Identification des composés organiques constituant la matière organique des composts par pyrolyse - 67
2.4.3. Extraction des lipides - 68
2.4.5. Mouillabilité des composts - 68
3. Effet des composts sur la stabilité d'agrégats de sol en conditions contrôlées - 68
3.1. Prélèvement des agrégats de sol - 69
3.2. Mise en place des incubations - 69
3.3. Suivi de la minéralisation du carbone organique au cours des incubations - 71
3.4. Mesure de la biomasse microbienne - 73
3.5. Evaluation de la biomasse fongique - 74
3.6. Extraction et dosage des polysaccharides extractibles à l'eau chaude - 75
3.7. Extraction et dosage des polysaccharides extractibles à l'acide dilué - 75
3.8. Mouillabilité des agrégats de sol après incubation - 76
3.9. Mesure de la stabilité des agrégats - 76
4. Effet de la dose de compost apportée sur la stabilité structurale - 78
5. Effet des composts sur l'évolution de l'état de surface d'un massif d'agrégats sous pluie simulée - 79
5.1. Préparation des massifs d'agrégats - 79
5.2. Pluie simulée - 80
5.3. Mesure de l'infiltration de l'eau - 81
5.4. Analyse des eaux infiltrées - 81
5.4.1. Matière en suspension - 81
5.4.2. Carbone organique en solution - 81
6. Effet des composts sur la stabilité de la structure au champ - 82
7. Effet des composts sur l'évolution de l'état de surface d'un lit de semence au champ - 83
8. Analyses statistiques - 84
CHAPITRE III CARACTERISTIQUES DES COMPOSTS UTILISES - 85
1. Maturité des composts - 85
1.1. Tests effectués sur produits frais - 85
1.1.1. Composts échantillonnés après 1 mois de compostage - 85
1.1.2. Composts échantillonnés après 6 à 8 mois de compostage - 86
1.2. Indicateurs évalués sur produits séchés et broyés - 86
1.2.1. Composts échantillonnés après 1 mois de compostage - 86
1.2.2. Composts échantillonnés après 6 à 8 mois de compostage - 87
2. Caractéristiques physico-chimiques des composts - 89
3. Caractéristiques de la matière organique des composts - 89
3.1. Fractionnement biochimique - 89
3.2. Pyrolyses - 90
3.3. Teneurs en polysaccharides - 94
4. Hydrophobicité des composts - 95
4.1. Teneurs en lipides - 95
4.2. Mesure de l'angle de contact - 95
5. Conclusion du chapitre III - 96
CHAPITRE IV EFFICACITE DES COMPOSTS A STABILISER DES AGREGATS DE SOL: LIEN
AVEC LEUR DEGRE DE MATURITE - 99
1. Sol témoin non amendé - 100
1.1. Minéralisation du carbone organique - 100
1.2. Facteurs stabilisants - 102
1.2.1. Biomasse microbienne totale - 102
1.2.2. Biomasse fongique: teneur en ergostérol - 102
1.2.3. Polysaccharides extractibles à l'eau chaude - 104
1.2.4. Polysaccharides extractibles à l'acide dilué - 104
1.2.5. Hydrophobicité des agrégats - 104
1.3. Stabilité structurale - 104
1.4. Conclusion - 106
2. En présence de composts - 106
2.1 Minéralisation du carbone organique des composts - 106
2.2. Facteurs stabilisants - 111
2.2.1. Biomasse microbienne totale - 111
2.2.2. Biomasse fongique: évolution des teneurs en ergostérol - 116
2.2.3. Evolution des teneurs en polysaccharides - 120
2.2.4. Hydrophobicité des agrégats - 127
2.3. Effet des composts sur la stabilité des agrégats de sol - 130
2.3.1. Test d'humectation rapide - 130
2.3.2. Test de désagrégation mécanique - 130
2.3.3. Test d'humectation lente - 132
2.3.4. Moyenne des trois tests - 135
2.3.5. Distribution des tailles des agrégats résultant des 3 tests - 137
3. Relation entre facteurs stabilisants et stabilité structurale - 141
4. Conclusion du chapitre IV - 148
CHAPITRE V INFLUENCE DE LA DOSE DE COMPOST APPORTEE SUR LA STABILITE
STRUCTURALE: EXISTE-T-IL UN SEUIL D'EFFICACITE ? - 153
1. Minéralisation du carbone organique - 153
2. Biomasse microbienne totale - 156
3. Biomasse fongique - 157
4. Stabilité des agrégats vis-à-vis de l'action destructive de l'eau - 158
5. Discussion - 160
6. Conclusion du chapitre V - 161
CHAPITRE VI EFFETS DES COMPOSTS SUR LA STABILITE D'UN LIT DE SEMENCE :
CONSEQUENCE SUR LA QUALITE DES EAUX D'INFILTRATION - 163
1. Observations visuelles de l'état de surface des agrégats - 163
1.1. Action des gouttes de pluie sur les agrégats humides - 163
1.2. Action des gouttes de pluie sur les agrégats secs - 164
2. Suivi de l'infiltration de l'eau à travers les massifs d'agrégats - 164
2.1. Agrégats humides - 164
2.2. Agrégats secs - 167
3. Qualité des eaux recueillies au cours des pluies simulées - 169
3.1. Charge en éléments en suspension - 169
3.1.1. Charges solides dans les eaux d'infiltration des agrégats humides - 169
3.1.2. Charges solides dans les eaux d'infiltration des agrégats secs - 170
3.2. Distribution de la taille des particules en suspension - 171
3.2.1. Eaux récoltées sous les agrégats humides - 171
3.2.2. Eaux récoltées sous les agrégats secs - 171
3.3. Carbone organique dans les eaux de percolation - 172
3.3.1. Eaux de percolation récupérées sous les agrégats humides - 172
3.3.2. Eaux de percolation récupérées sous les agrégats secs - 172
4. Discussion - 175
5. Conclusion du chapitre VI - 181
CHAPITRE VII EFFET DES COMPOSTS SUR LA STABILITE STRUCTURALE ET LA
DEGRADATION D'UN LIT DE SEMENCE EN CONDITIONS DE PLEIN CHAMP - 183
1. Caractéristiques des produits résiduaires organiques épandus au champ - 183
2. Effet des produits organiques épandus au champ sur la stabilité des agrégats - 186
2.1. Stabilité des agrégats - 186
2.1.1. Variation inter-annuelle de la stabilité des agrégats dans les traitements "témoin" - 187
2.1.2. Effet des apports de produits résiduaires - 188
2.2. Facteurs stabilisants - 192
2.2.1. Carbone organique total (COT) dans les agrégats - 192
2.2.2. Biomasse microbienne - 192
2.2.2. Biomasse fongique - 194
2.2.3. Polysaccharides extractibles à l'eau chaude - 194
2.2.4. Hydrophobicité des agrégats - 196
2.3. Discussion - 196
2.3.1. Influence des caractéristiques des produits résiduaires - 197
2.3.2. Effet du fumier - 197
2.3.3 Influence des doses d'apport et des cumuls - 198
2.3.4. Influence du conditionnement des apports - 198
2.3.5. Origine possible des différences observées entre champ et laboratoire - 198
3. Effet des produits organiques épandus au champ sur la résistance à la battance du lit de semences - 202
3.1. Evolution de l'état de surface des lits de semence au fur et à mesure des épisodes pluvieux - 202
3.2 Discussion - 205
4. Conclusion du chapitre VII - 208
CHAPITRE VIII CONCLUSIONS GENERALES ET PERSPECTIVES - 209
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES - 219
ANNEXES - 237

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