Migration des substances

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1 CHAPITRE 14 Migration des substances 14.1 INTRODUCTION L application d engrais minéraux ou organiques apportent des quantités d azote qui se transforment en nitrates. Ces nitrates sont prélevés par les plantes pour leur croissance. Ils sont aussi transportésverslesnappesparl eauquipercoledanslesoletlesnappeslestransportentàleur tour vers les cours d eau. Les autres substances solubles dans le sol subissent les mêmes phénomènes. Dans une perspective de protection de l environnement, les phénomènes de diffusion, de transport et de lessivage des solutés doivent être considérés. Ce chapitre présente sommairement ces phénomènes et quelques lois de base qui les régissent LOIS DE MIGRATION DES SUBSTANCES Les flux de soluté dans un sol peuvent être décrits sommairement par l équation suivante: qs = [C]q [D]{ [C]} +f n ([C],x,y,z,t) [14.1] flux = Convection Dispersion +Diffusion+Réaction q s =Fluxdesoluté(g/s) q=fluxd eau(m/s) [C] = Concentration de soluté(g/l) D=Coefficientdediffusion(m 2 /s) x,y,z = directions(m) t=temps(s) f n =productiondesoluté(g/s)

2 218 MIGRATION DES SUBSTANCES La diffusion est le phénomène de migration d une substance sous l influence du gradient de concentration. Ce phénomène est très important au niveau des racines. Celles-ci prélèvent les substances comme les nitrates et créent ainsi une plus faible concentration de cet élément près d elles. La différence de concentration entre le milieu ambiant et la proximité des racines(gradient de concentration) provoque la migration des substances de la plus grande concentration vers la plus petite. Ce phénomène se produit principalement au voisinage des racines dans le sol. Il se produit aussi entre les micropores(solution du sol) et les macropores(eau de percolation). La convection/dispersion est le phénomène de transport des substances par le flux d eau. L eau quipercoledanslesolsuiteàuneinfiltrationvientencontactavecl eaudusoldanslesmicropores qui contient des substances en solution. Sous l effet du gradient de concentration, ces substances migrent des micropores vers les macropores par diffusion jusqu à équilibre des concentrations(ce phénomène est aussi appelé mélange). L eau des macropores continue son chemin chargée de nouvelles substances. Le phénomène est appelé convection pour exprimer le transport des substances par le flux d eau(sans flux, pas de déplacement). Le phénomène est aussiappelédispersioncar,danslesol,lesporesnesontpastousdemêmedimensionsetle déplacement de l eau se fait à des vitesses différentes d un pore à l autre donnant l impression que la substance se disperse avec le flux. Le phénomène de transport des substances par percolationdelazonedesurfacedusoloùlesconcentrationssontélevéesverslebasdelacolonnede sol est aussi appelé lessivage ou lixiviation car la percolation de l eau d infiltration y produit une déperdition des substances des couches de surface. Le phénomène de réaction permet d exprimer toutes les réactions comme celles du cycle de l azote(minéralisation, fixation, etc.). En lien avec les processus d infiltration présentés au chapitre CH-8, le processus de transport ou lessivage peut être présenté schématiquement par la figure Le sol peut être représenté Pte θ SAT CC PF N-NO 3 N-NH 4 q [C] Figure 14.1 Représentation schématique du phénomène de lessivage dans une couche de sol

3 BILAN DE SUBSTANCES 219 parunesuitedecouchesdesoletchaquecouchedesolpeutêtrereprésentéeparunréservoir commeceluidelafigure14.1.lorsd unepluie,lesolseréhumidifieetcorrespondauremplissage du réservoir. L eau est retenue par les micropores. Lorsque le sol atteint la capacité au champ,lesurplusdoitêtreévacuéparletropplein(lesmacropores)etilvahumidifierlacouchedesolsuivante.cesurplusquittelacouchedesolaveclaconcentrationdessubstancesen solution, ce qui constitue le phénomène de lessivage parfois appelé lixiviation BILAN DE SUBSTANCES L équation 14.1 permet d exprimer les phénomènes à un niveau plus ou moins microscopique. L approche des bilans de masse est souvent suffisante pour analyser les situations. Au niveau d unhectaredesol,l équationdubilandemassed unesubstancedueàunfluxpendantun certain temps(volume d eau) s exprime: V s = [ C] 100 V q V s =Volumedelasubstance(kg/ha) V q =Volumed eau(mm) [C] = Concentration de la substance(mg/l) [14.2] Cette équation représente la convection. Le volume d eau représente le volume percolé et par analogieaveclaprécipitation,ilestexpriméenmmsachantqu unmmreprésente1l/m 2.Le facteur100correspondàlaconversiondesunitésdemmenl/m 2,dem 2 enhaetdemgenkg. Édition 2015

4 220 MIGRATION DES SUBSTANCES 14.4 CYCLE DE L AZOTE Pour comprendre la lessivage des nitrates, il est important de comprendre la cycle de l azote et soninteractionaveclecycledel eauquiestdéfinilocalementparlebilanhydriquetelque présenté à la figure 3.2. La figure 14.2 présente les principales réactions qui sont présentes dans le cycle de l azote. La figure permet de distinguer la localisation dans le sol des différentes formes de l azote(fixé aux particules de sol, dans les macropores et les micropores). Plante Prélèvement Adsorption Résidus Désorption Nitrification N-ORG N-NH 4 N-NH 4 N-NO 3 fixé Minéralisation SOL Fixé Immobilisation Micropores Macropores Figure 14.2 Schéma des réactions du cycle de l azote. La figure 14.3 ajoute le bilan hydrique au cycle de l azote et permet d identifier les éléments du cyclequisontassociésaucycledel eauetlesinteractionsaveccedernier. La figure 14.4 présente schématiquement l introduction de matières fertilisantes azotées sous forme organique ou autre dans le cycle de l azote. La matière fertilisante est divisée en trois composantes, la fraction organique (N-ORG), la fraction soluble sous forme de nitrates (N-NO 3 )etd azoteammoniacale(n-nh 4 ).

5 221 Résidus RUISSELLEMENT Adsorption Désorption Nitrification Plante Prélèvement N-ORG N-NH 4 N-NH 4 N-NO 3 fixé Dénitrification PERCOLATION SOL Fixé Minéralisation Immobilisation Micropores LESSIVAGE Figure 14.3 Schéma du cycle de l azote couplé au bilan hydrique. Macropores FERTILISANT + PRÉCIPITATION N-ORG N-NH 4 N-NO 3 Volatilisation Plante Prélèvement Adsorption Résidus Désorption Nitrification N-ORG N-NH 4 N-NH 4 N-NO 3 fixé Minéralisation SOL Fixé Immobilisation Figure 14.4 Fertilisants dans le cycle de l azote. Micropores Macropore Édition 2015

6 EXEMPLES Les exemples qui suivent proviennent d expériences réalisées sur des cases lysimétriques drainantes(figure 14.5) installés sur des sols sableux de la région de Portneuf(Gasser et al., 2000). Le récipient collecteur permettait de recueillir l eau de percolation au bas de la colonne de sol et de la mesurer la concentration des différentes substances d intérêt. La surface du lysimètrea1m 2 etchaquelitred eaureprésente1mm. Figure 14.5 Diagramme d un lysimètre drainant. La figure 14.6 présente l évolution des concentrations en nitrates au bas de la colonne de sol pour une culture de pommes de terre en La figure montre des concentrations relativement faibles au printemps mais qui s accroissent en été lorsque le front de lessivage atteint la profondeur du lysimètre. Elles se maintiennent élevées jusqu en automne et elles commencent parlasuiteàdécroîtrelorsquelamassedenitratesdiminuedanslesolsuiteaulessivage.pendantlesétéssecs,lelessivageseproduitplustardàl automne.desmesuresontaussiétéfaites avec des applications de lisiers et le même phénomène a été observé. Les nitrates accumulés danslesolàlafindelapériodedecultureestlessivéparlapercolationdespluiesd automneet les concentrations en nitrates diminuent par la suite pour devenir relativement faible le printemps suivant. La figure montre des concentrations en nitrates largement supérieures à la normede10mg/letellemontreuncasavecuneconcentrationapprochant200mg/l. Surcesite,laprécipitationdemaiàoctobreaétéde739mm,lapercolationaubasdulysimètre de 286 mm et la concentration moyenne en nitrates de 42 mg/l. L évapotranspiration peut en êtredéduite,soit453mm(739mm -286mm).Lamassedenitrateslessivésestselonl équation14.2de: 120kg ha = 286mm.42mg l 100 [14.3]

7 BIBLIOGRAPHIE 223 Figure 14.6 Évolution des concentrations de nitrates mesurées dans les eaux de lysimètres drainantssousuneculturedepommedeterredanslarégiondeportneuf. Surcesite,lesconcentrationsennitratesdanslesolontétémesuréesauprintempsetàlafinde l automne.lesrendementsdepommedeterreontétéde36mg/ha.lebilandesnitratesest présentéautableausuivant.ilprésenteaussilebilanpouruneculturedetrèfleetdemil. Pdt trèfle mil mil Stocks dans le sol au printemps 17 kg/ha Engrais 160 kg/ha 0 kg/ha 49 kg/ha 43 kg/ha Prélevés par les plantes 100 kg/ha 119 kg/ha 105 kg/ha 70 kg/ha Lessivé 120 kg/ha 20 kg/ha 15 kg/ha 7 kg/ha Stocksdanslesolàl automne 20kg/ha +7kg/ha -5kg/ha +24kg/ha Minéralisation - pertes 63 kg/ha 147 kg/ha 66 kg/ha 58 kg/ha BIBLIOGRAPHIE Gasser, M.O Transformation et transfert de l azote dans les sols sableux cultivés en pomme de terre. Thèse de Ph. D., Université Laval. Édition 2015

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