CH-11 Migration des substances - Université Laval

CHAPITRE
11
Migration des substances
11.1 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
transportés vers les nappes par l’eau qui percole dans le sol et les nappes les transportent à leur
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.
11.2 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)
[11.1]
flux = Convection
Dispersion
+ Diffusion + Réaction
q s = Flux de soluté (g/s)
q = Flux d’eau (m/s)
[C] = Concentration de soluté (g/l)
D = Coefficient de diffusion (m 2 /s)
x,y,z = directions (m)
t = temps (s)
f n = production de soluté (g/s)

168 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
qui percole dans le sol suite à une infiltration vient en contact avec l’eau du sol dans les micropores
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
aussi appelé dispersion car, dans le sol, les pores ne sont pas tous de même dimensions et le
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 percolation
de la zone de surface du sol où les concentrations sont élevées vers le bas de la colonne de
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 11.1. Le sol peut être représenté
Pte
θ
SAT
CC
PF
N -NO 3
N -NH 4
q
→ · [C]
Figure 11.1 Représentation schématique du phénomène de lessivage dans une couche de sol

BILAN DE SUBSTANCES
169
par une suite de couches de sol et chaque couche de sol peut être représentée par un réservoir
comme celui de la figure 11.1. Lors d’une pluie, le sol se réhumidifie et correspond au remplissage
du réservoir. L’eau est retenue par les micropores. Lorsque le sol atteint la capacité au
champ, le surplus doit être évacué par le trop plein (les macropores) et il va humidifier la couche
de sol suivante. Ce surplus quitte la couche de sol avec la concentration des substances en
solution, ce qui constitue le phénomène de lessivage parfois appelé lixiviation.
11.3 BILAN DE SUBSTANCES
L’équation 11.1 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’un hectare de sol, l’équation du bilan de masse d’une substance due à un flux pendant un
certain temps (volume d’eau) s’exprime :
V s = [ C]
100 V q
V s = Volume de la substance (kg/ha)
V q = Volume d’eau (mm)
[C] = Concentration de la substance (mg/l)
[11.2]
Cette équation représente la convection. Le volume d’eau représente le volume percolé et par
analogie avec la précipitation, il est exprimé en mm sachant qu’un mm représente 1 l/m 2 . Le
facteur 100 correspond à la conversion des unités de mm en l/m 2 , de m 2 en ha et de mg en kg.

170 MIGRATION DES SUBSTANCES
11.4 CYCLE DE L’AZOTE
Pour comprendre la lessivage des nitrates, il est important de comprendre la cycle de l’azote et
son interaction avec le cycle de l’eau qui est défini localement par le bilan hydrique tel que
présenté à la figure 5.2. La figure 11.2 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
Soluble
Macropores
Soluble
Figure 11.2 Schéma des réactions du cycle de l’azote.
La figure 11.3 ajoute le bilan hydrique au cycle de l’azote et permet d’identifier les éléments du
cycle qui sont associés au cycle de l’eau et les interactions avec ce dernier.
La figure 11.4 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 ) et d’azote ammoniacale (N -NH 4 ).

171
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
Soluble
LESSIVAGE
Figure 11.3 Schéma du cycle de l’azote couplé au bilan hydrique.
Macropores
Soluble
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 11.4 Fertilisants dans le cycle de l’azote.
Micropores
Soluble
Macropore
Soluble

172
11.5 EXEMPLES
Les exemples qui suivent proviennent d’expériences réalisées sur des cases lysimétriques
drainantes (figure 11.5) 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 lysimètre
a 1 m 2 et chaque litre d’eau représente 1 mm.
Figure 11.5 Diagramme d’un lysimètre drainant.
La figure 11.6 présente l’évolution des concentrations en nitrates au bas de la colonne de sol
pour une culture de pommes de terre en 1996. 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
par la suite à décroître lorsque la masse de nitrates diminue dans le sol suite au lessivage. Pendant
les étés secs, le lessivage se produit plus tard à l’automne. Des mesures ont aussi été faites
avec des applications de lisiers et le même phénomène a été observé. Les nitrates accumulés
dans le sol à la fin de la période de culture est lessivé par la percolation des pluies d’automne et
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
norme de 10 mg/l et elle montre un cas avec une concentration approchant 200 mg/l.
Sur ce site, la précipitation de mai à octobre a été de 739 mm, la percolation au bas du lysimètre
de 286 mm et la concentration moyenne en nitrates de 42 mg/l. L’évapotranspiration peut en
être déduite, soit 453 mm (739 mm - 286 mm). La masse de nitrates lessivés est selon l’équation
11.2 de :
120 kgha =
286 mm . 42 mgl
100
[11.3]

BIBLIOGRAPHIE
173
Figure 11.6 Évolution des concentrations de nitrates mesurées dans les eaux de lysimètres
drainants sous une culture de pomme de terre dans la région de Portneuf.
Sur ce site, les concentrations en nitrates dans le sol ont été mesurées au printemps et à la fin de
l’automne. Les rendements de pomme de terre ont été de 36 mg/ha. Le bilan des nitrates est
présenté au tableau suivant. Il présente aussi le bilan pour une culture de trèfle et de mil.
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
Stocks dans le sol à l’automne 20 kg/ha + 7 kg/ha - 5 kg/ha +24 kg/ha
Minéralisation - pertes 63 kg/ha 147 kg/ha 66 kg/ha 58 kg/ha
BIBLIOGRAPHIE
Gasser, M.O. 2000. Transformation et transfert de l’azote dans les sols sableux cultivés en
pomme de terre. Thèse de Ph. D., Université Laval.

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