Du taux de carbone à celui de matières organiques dans les sols
Auteur : Denis Baize
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Article accepté le 30 novembre 2016
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| Article mis en ligne le 30 novembre 2016 |
Introduction
Pour passer de la teneur en carbone organique d'un échantillon de sol à celle en matières organiques, on utilise très couramment le facteur de conversion de 1,724. Celui-ci est ancien et a survécu à l'épreuve du temps et aux méthodes modernes d'analyse.
Selon les auteurs, ce facteur conventionnel est attribué à van Bemmelen (1890), à Emil von Wolff (1864), voire à Carl Sprengel (1826). Il est basé sur des études fort anciennes montrant que « la matière organique du sol contient 58 % de carbone ». Puisque le rapport C/MO serait égal à 0,58, le rapport MO/C serait égal à 1,724. Il est devenu d’usage universel malgré les nombreuses études ultérieures montrant qu'il serait trop bas pour la plupart des sols et que des valeurs de 1,9 ou 2,0 seraient plus exactes. Pour Pribyl (2010) qui lui a consacré un gros article, « commodité, autorité et tradition sont, pour une large part, la raison de la très large acceptation de ce facteur de conversion conventionnel, beaucoup plus que la force de la démonstration ».
La principale méthode, et la plus ancienne, pour déterminer directement et aisément la teneur en matières organiques (MO) d'un échantillon de sol est la perte au feu. La perte au feu (PAF) est la perte de poids d'un échantillon après calcination, rapportée au poids initial. Pour cette détermination, il n'existe pas de norme française ni internationale. Les protocoles varient selon les laboratoires et donnent donc des résultats différents pour un même échantillon, notamment en fonction de la température de calcination, qui peut aller de 350 à 1100°C, ou de sa durée, de 2 à 32 heures.
Depuis le XIXe siècle et encore aujourd'hui, l'immense majorité des laboratoires d'analyse déterminent la teneur en carbone organique puis multiplient cette teneur par le coefficient forfaitaire et universel de 1,724 pour fournir une teneur en MO.
Or, à l'évidence, le ratio entre MO et C organique est différent d'un sol à un autre et même d'un horizon à un autre dans un même sol. Il dépend de l'origine des MO (espèces végétales), du degré de bio-dégradation et d'humification, donc du type de sol, des conditions pédoclimatiques locales et des pratiques culturales. Une seule valeur conventionnelle, quelle qu'elle soit, ne peut donc pas convenir universellement. Il vaut donc mieux raisonner sur les taux de carbone (qui sont effectivement mesurés) que sur les teneurs en MO qui sont grossièrement estimées.
De nos jours
Un certain nombre de publications et sources contemporaines ne font que reprendre et utiliser ce facteur de conversion, sans le mettre en doute ni le discuter. En voici quelques exemples :
- Demolon et Leroux, 1933 : « La meilleure méthode de dosage de la matière organique du sol consiste à déterminer le taux de carbone organique et à le multiplier par 1,724 (Waksman, 1930) » (première occurrence en langue française ?)
- Howard, 1965 : « Il est une fréquente pratique d'utiliser le facteur de conversion 1,724 basée sur l'idée que la MO contient 58 % de carbone ».
- Dabin, 1970 : « La teneur en matière organique totale du sol s'obtient généralement en dosant la teneur en carbone, on estime que la rapport matière organique / carbone est à peu près constant et égal à :
- Fitzpatrick, 1983 : « Habituellement, les pourcentages de carbone sont multipliés pat un facteur de conversion de 1,72 afin de fournir une indication des quantités totales de matière organique présentes. »
- Sikora & Stott, 1996 : « Le C organique représente approximativement 58 % des MO du sol en poids. Cette constante permet la détermination des MOS par mesure directe du carbone organique ».
- Sur le site web du Ministère de l’environnement, de l’énergie et de la mer..., on peut lire en juin 2016 : « Composées de 58 % de carbone organique en moyenne, [les matières organiques du sol] libèrent du dioxyde de carbone et des composés organiques en se décomposant sous l’influence du climat… »[1]. Dans cette courte phrase, une très vieille idée fausse est reprise et, en outre, il ne s’agit pas de « moyenne » mais d’une valeur purement conventionnelle.
Discussion historique
« On enseigne aux étudiants en science du sol que, pour déterminer la teneur du sol en MO, le carbone organique du sol est mesuré habituellement par oxydation humide utilisant le bichromate de potassium (la méthode Walkley-Black) ou bien, dans les laboratoires bien équipés, en utilisant des analyseurs CN et, ensuite, multiplié par un facteur de conversion de 1,72 ou 1,724. La plupart des manuels scolaires et des manuels de laboratoire n'expliquent pas comment ce facteur a été obtenu, aussi les étudiants acceptent généralement cette valeur sans poser de questions, exactement comme ils font avec d'autres constantes utilisées en sciences naturelles », lit-on sur site web de V. B. Asio[2], où le lecteur intéressé trouvera des historiques très complets (en anglais), ainsi que dans l’article de Pribyl (2010) consacré à ce problème, et dont voici le résumé (les traductions sont de nous, comme dans tout ce qui suit) :
« L’utilisation d’un facteur unique pour convertir la teneur en carbone organique du sol en une teneur en matière organique est contesté. Le point de départ de cette contestation trouve son origine dans quatre sources : des articles originaux publiés au XIXe siècle, des études empiriques publiées à travers tout le vingtième siècle, des considérations théoriques sur la composition des matières organiques, et la prise en compte de ce qui a amené à la popularité et à l’acceptation générale de ce facteur conventionnel.
Le facteur conventionnel de 1,724, basé sur l’hypothèse que la matière organique du sol contient 58 % de carbone, s’applique seulement à certains sols ou seulement à des composants particuliers de la matière organique du sol. Des études publiées depuis la fin du dix-neuvième siècle ont toujours montré que le facteur de 1,724 était trop bas pour la plupart des sols. Grâce à un inventaire de données publiées antérieurement, on a trouvé que la valeur de la médiane pour ce facteur de conversion était de 1,9 à partir d’études empiriques et de 2 à partir de considérations théoriques.
Un facteur de 2, basé sur l’hypothèse que la matière organique a 50 % de carbone, serait dans presque tous les cas plus exact que le facteur conventionnel de 1,724. La prise en compte des variations possibles dans la composition des matières organiques prédit un éventail de valeurs de ce facteur compris entre 1,4 et 2,5, éventail qui est plus étroit que les résultats empiriques, au moins en partie à cause des interactions entre les méthodes utilisées pour estimer la matière organique et la composition du sol.
Commodité, autorité et tradition sont, pour une large part, la raison de la très large acceptation de ce facteur de conversion conventionnel beaucoup plus que la force de la démonstration ».
Les premières citations ci-dessous tentent de remonter aux origines de ce coefficient, les suivantes en donnent une critique plus ou moins détaillée.
En 1930, dans le résumé d’un article sur la détermination de la MO du sol, Waksman & Stevens affirment : « L'autre méthode disponible est la détermination de la teneur totale en carbone du sol ; celle-ci peut être obtenue par une des méthodes de combustion sèche ou humide. La quantité de carbone organique trouvée dans une quantité définie de sol est ensuite multipliée par le facteur 1,724 pour fournir la quantité totale de matières organiques du sol. Ce facteur a été obtenu par Van Bemmelen, Wollny et autres chimistes du sol, sur la supposition que la teneur en carbone organique de la matière organique du sol est 58 %. Il sera mis en relief, dans les pages suivantes, que cette supposition est assez précise et que cette méthode est toujours la plus fiable aujourd'hui pour mesurer la matière organique totale du sol ».
En 1932, dans un article consacré à ce sujet, Lyle et Byers écrivent : « Detmer, en 1871, trouva que l'humus du sol avait une teneur en carbone de 59,79 %. Loges, en 1883, dans une étude sur les méthodes de combustion humide et sèche, utilisa librement les facteurs de Wolff pour calculer les "substances humiques " totales des sols. En 1890, van Bemmelen déclara en ce qui concerne la teneur en humus : "Dieser ist erhalten durch Multiplikation des Kohlenstoffgehaltes mit den factor von Wolff: 1,724." (« Celui-ci est obtenu par la multiplication du contenu en carbone par le facteur de Wolff : 1,724 »).
Cette affirmation peut être considérée comme fondant l'utilisation universelle de ce facteur. Que la teneur en carbone de la matière organique du sol puisse être largement différente de 58 % et que les facteurs 1,724 et 0,471 soient, en conséquence, peu fiables, a été montré depuis à maintes reprises. En effet, de nombreuses recherches ont montré que même dans l'humus extrait du sol les valeurs moyennes des teneurs en carbone sont plus proches de 50 % que de 58 %. Citons seulement certaines de ces recherches :
| Auteurs et dates | Minimum | Maximum | Moyenne | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Cameron & Breazale (1904) | 33,3 | 49,22 | 41,77 | ||
| Read & Ridgell (1922) | 30,2 | 56,27 | 49,26 | ||
| 13,33 | 56,55 | 39,16 | |||
| 43,91 | |||||
| Robinson (1927) | 37,5 | 70,1 (61,9)[3] | 54,8 | ||
| 44,5 | 78,4 (66,5) | 58,6 | |||
| Jolivet et al. (1998) | 62,4 | ||||
Assez curieusement, Cameron et Breazeale (1904) conseillent de continuer à employer le facteur 1,724. Ils arrivent à cette conclusion, au moins partiellement, sur la base du raisonnement suivant (p. 44) : cette matière organique non extraite par l'ammoniac est en grande partie faite de cellulose ou de substances cellulosiques dans lesquelles le pourcentage de carbone approche de très près le chiffre donné par Van Bemmelen. Étant donné que la teneur en carbone de la cellulose est 44,44 %, cette valeur en réalité approche de beaucoup plus près leur valeur pour les matières extraites que ne fait la valeur utilisée comme base du facteur qu'ils attribuèrent de manière erronée à Van Bemmelen.
Jolivet et al. (1998) ont montré que le rapport C/MO diminuait avec la profondeur. « En outre il existe une différence significative de ce ratio C (dosé par combustion sèche) / MO (dosée par perte au feu) entre horizons A1 et horizons L (moyennes respectivement = 0,592 et 0,646). Ceci indique qu'il y a une modification de la nature de la MO suite au défrichage et à la culture du maïs. »
| Auteurs et date | Éléments caractéristiques de l'étude | MO / C | |
|---|---|---|---|
| Lunt (1931) | 1,89 | ||
| 1,85 | |||
| 1,80 | |||
| Broadbent (1953) | 1,9 | ||
| 2,5 | |||
| De Leenheer, Van Hove & Van Ruymbeke (1957) | 2 | ||
| Howard (1965) | 1,97 à 2,07 | ||
| 1,77 à 1,95 | |||
| Ponomareva & Plotnikova (1967) | 2 | ||
| Loftus (1966) | 1,8 | ||
| INRA de Nancy (1986) | 1,94 à 1,99 | ||
| Norme NF ISO 10694 (juin 1995) | 1,7 à 2,0 | ||
Pansu et Gautheyrou (2003) : « On parle souvent des « matières organiques totales » qui expriment empiriquement le « carbone organique total » dosé par oxydo-réduction mais corrigé par un coefficient basé sur l'hypothèse d'une matière organique contenant principalement des acides humiques à environ 58 % de carbone (100/58 = 1,724 facteur de van Bemmelen). En fait ce taux est loin d'être constant, même en se limitant aux horizons de surface, ni très réaliste, particulièrement pour les sols à Mor ou Moder peu humifiés, les sols forestiers, ainsi que les sols tourbeux. Il est alors nécessaire d’utiliser un coefficient de 2 voire 2,5. Cette expression de « matières organiques totales » est donc une mesure estimative dérivée et ne peut être retenue comme index. »
Hoogsteen et al. (2015) ont consacré un bel article à la détermination des teneurs en MO par perte au feu (PAF) et à l'influence du protocole utilisé sur les résultats obtenus. « Nous avons montré que le facteur de conversion entre la MO (estimée par perte au feu) et le CO décroissait pour une durée de calcination de 3 heures de 0,70 à 350°C jusqu’à 0,55 à 650°C (figure 4a). » Le ratio MO (déterminée par PAF) / C pour un même échantillon et une même durée dépend donc de la température employée.
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Abréviations :
- C = carbone, CO = carbone organique
- MO = matières organiques ou matière organique
- MOS = matières organiques du sol
- PAF = perte au feu
Références citées
- Allison L.E., 1965. Organic carbon. In: Methods of soil analysis, 2d part. Am. Soc. Agron., Madison, Wisconsin : 1367-1378.
- Broadbent F.E., 1953. The soil organic fraction. Advances in Agronomy, N°5 : 153-183.
- Cameron F.K., Breazeale J.F., 1904. The organic matter in soils and subsoils. J. Amer. Chem. Soc. 26 : 29-45.
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- De Leenheer L., van Hove J., van Ruymbeke M., 1957. Détermination quantitative de la matière organique du sol. Pédologie, 7 : 324-347.
- Demolon A., Leroux D., 1933. Guide pour l'étude expérimentale du sol. Gauthier Villars, 213 p.
- Detmer W., 1871. Mittheilungen aus dem agriculturchemischen Laboratorium des Universität Leipzig. VI. Die natürlichen Humuskörper des Bodens und ihre landwirthschaftliche Bedeutung. Landwirthschaftlichen Versuchs-Stationen, 14: 248-296.
- Fitzpatrick E.A., 1983. Soils. Their formation, classification and distribution. Longman, London & New York, 354 p.
- Giroux M., Audesse P., 2004. Comparaison de deux méthodes de détermination des teneurs en carbone organique, en azote total et du rapport C/N de divers amendements organiques et engrais de ferme. Agrosol, IRDA (Institut de Recherche et de Développement en Agroenvironnement) du Québec, Productions animales, 15 (2) : 107-110.
- Hoogsteen M.J.J., Lantinga E.A., Bakker E.J., Groot J.C.J., Tittonell P.A., 2015. Estimating soil organic carbon through loss on ignition: effects of ignition conditions and structural water loss. Eur. J. Soil Sci., 66 : 320-328.
- Howard P.J.A., 1965. The carbon-organic matter factor in various soil types. Oikos, Copenhagen, 15: 229-236.
- INRA, Nancy, 1986. Observatoire des sols du Donon. Mise en place et résultats 1986. 23 p.
- Jolivet C., Arrouays D., Bernoux M., 1998. Comparison between analytical methods for organic carbon and organic matter determination in sandy spodosols of France. Commun. Soil Sci. Plant Anal., 29 : 2227-2233.
- Loftus N.S., 1966. The contribution of extractable humic colloids to the exchange capacity of surface soils. Ph.D. thesis, Pennsylvania State University.
- Loges G., 1883. Mittheilungen aus dem agriculturchemischen Laboratorium der Versuchs-station Kiel. III. Ueber die Bestimmung des Humus in Ackererden. Landwirthschaftlichen Versuchs-Stationen, 28: 229-245.
- Lunt H.A., 1931. The carbon-organic matter fraction in forest soil humus. Soil Science, 32: 27-33.
- Lyle T. A., Byers H. G., 1932. A Critical Laboratory Review of Methods of Determining Organic Matter and Carbonates in Soil. Technical Bulletin n°317. Bureau of Chemistry and Soils, USDA, Washington D.C., pp. 1-26. texte intégral sur le site de l'USDA.
- Pansu M., Gautheyrou J., 2003. L'analyse du sol, minéralogique, organique et minérale. Springer, Paris, 994 p.
- Ponomareva V. V., Plotnikova T.A., 1967. Data on the degree of intramolecular oxidation of humus in various soil groups (problem of the carbon to humus conversion factors). Sov. Soil Sci. 7 : 924-933.
- Pribyl D.W., 2010. A critical review of the conventional SOC to SOM conversion factor. Geoderma, 156: 75-83. Texte intégral sur le site Sciencedirect.
- Ranney R.W., 1969. An organic carbon-organic matter conversion equation for Pennsylvania surface soils. Soil Sci. Soc. Amer. Proc., 33 : 809-811.
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- Sikora L.J., Stott D.E., 1996. Soil Organic Carbon and Nitrogen. In : J.W. Doran & A.J. Jones, eds., Methods for Assessing Soil Quality. SSSA Special Publication N°49, 410 p.
- Site web de Victor B. Asio, professeur de science du sol et géo-écologie à Visayas State University (VSU), Philippines, consulté le 8 juin 2016.
- Site web du Ministère de l’environnement, de l’énergie et de la mer (Commissariat général au développement durable – Observation et statistiques – La matière organique des sols et le stockage du carbone), consulté le 23 juin 2016.
- Sprengel C., 1926. Ueber Pflanzenhumus, Humussaüre und humussaure Salze. Archiv für die gesammte Naturlehre, 8: 145-220.
- Van Bemmelen J.M., 1890. Ueber die Bestimmung des Wassers, des Humus, des Schwefels, der in den colloïdalen Silikaten gebundenen Kieselsaüre, des Mangans u.s.w. im Ackerboden. Landwirthschaftlichen Versuchs-Stationen, 37 : 279-290.
- Waksman S.A., Stevens K.R., 1930. A critical study of the methods for determining the nature and abundance of soil organic matter. Soil Science, 30 (2) 97-116.
- Wolff E., 1864. Entwurf zur Bodenanalyse. Landwirthschaftlichen Versuchs-Stationen, 6 : 141-171.
Normes
NF ISO 10694. Qualité du sol - Dosage du carbone organique et du carbone total après combustion sèche (analyse élémentaire) – juin 1995. ISO 11074, 2005, in :
Notes et références
- ↑ La matière organique des sols et le stockage du carbone, sur le site du Ministère.
- ↑ Le lien vers la discussion de ce sujet sur le site web de V. B. Asio.
- ↑ En excluant un sol connu pour contenir des particules de charbon de bois.
