DÉGRADATION DES TOURBIÈRES RÉSIDUELLES ET LEUR RÉHABILITATION

DÉGRADATION DES TOURBIÈRES RÉSIDUELLES ET LEUR RÉHABILITATION

Les tourbières
Formation des tourbières

Selon le système canadien de classification des sols (Groupe de travail sur la classification des sols, 2002), les sols des tourbières font partie de l’ordre organique (Histosols) (Karam, 2008). «Les tourbières couvrent près de 113,6 millions d’hectares au Canada, soit environ 13 % de la superficie du pays et elles sont présentes dans toutes les provinces» (Associations des producteurs de tourbe au Canada, http://tourbehorticole.com/). Les Histosols contiennent une fraction organique en surface et une fraction inorganique en profondeur. Les tourbières sont des terres humides très riches en matières organiques peu décomposée. Elles peuvent être définies comme un sol organique issu de la dégradation incomplète de débris végétaux dans un milieu saturé en eau (Pôle-Relais-Tourbières, http://www,pole-tourbieres,org/a-la-decouverte-des-tourbieres/article/qu-est-ce-qu-unetourbiere). Ce sont des écosystèmes où la biomasse végétale s’accumule plus qu’elle ne se décompose (Tarnocai, 2000; Payette et Rochefort, 2001; Hayes et al., 2015). En général, ce sont les débris de sphaignes qui dominent la végétation des tourbières (Quinty et Rochefort, 2003). Au Nouveau-Brunswick et au Québec, la plupart des tourbières font partie de la catégorie des tourbières ombrotrophes, tel que défini par le système de classification des terres humides du Canada (Warner et Rubec, 1997). Les tourbières ombrotrophes appelées aussi tourbières bombées (“bogs” en anglais) sont alimentées uniquement par les eaux météoriques ; elles sont acides et pauvres en ions minéraux (Pôle-RelaisTourbières.http://www.pole-tourbieres.org/a-la-decouverte-destourbieres/article/comment-reconnaître-les-types-de&gs). Selon le système canadien de classification des sols (Groupe de travail sur la classification des sols, 2002), une tourbière est composée de matériaux tourbeux de sphaigne ou résidus végétaux de forêt, formés sous un environnement ombrotrophique dû à l’état légèrement surélevé de la tourbière, tendant à la couper de la nappe phréatique riche en éléments minéraux provenant des sols minéraux environnants. Près de la surface, les matériaux tourbeux sont ordinairement non décomposés et extrêmement acides (pH ˂ 4,5). La tourbe et les matériaux limniques sont les constituants de base des sols organiques. Dans les tourbières, les matériaux organiques de diverses origines sont mélangés avec des minéraux sous forme granulaire (Parent, 2001). L’anaérobiose est quasi-permanente dans le milieu considéré (Soltner, 2011). La cellulose est détruite et convertie en méthane et en hydrogène tandis que la lignine, inaltérable (Guggenberger et al., 1995), s’entasse en couches dans un milieu humide (Soltner, 2011). Une tourbière est caractérisée par une couche de tourbe épaisse d’au moins 30 à 40 cm (Pakarinen, 1995; Payette et Rochefort, 2001). L’accumulation de cette tourbe se produit pendant plusieurs milliers d’années car le taux réel de son accumulation est de 0,5 à 1 mm par année (Quinty et Rochefort, 2003). L’accumulation des plantes change les conditions du milieu et transforme les habitats aquatiques en fens ou tourbières minérotrophes (eutrophes). Celles-ci ont pour source d’eau et de nutriments les précipitations et le ruissellement de surface et l’écoulement souterrain qui entrent en contact en même temps avec les minéraux (Quinty et Rochefort, 2003). La tourbe qui en est issue est généralement bien décomposée et possèdent des valeurs de pH habituellement supérieures à 4,0 (Lafond et al., 1992). Ces fens dominés par des espèces de la famille des carex, peuvent se transformer en tourbières ombrotrophes (oligotrophes) ou bogs avec l’accumulation de la tourbe. Les tourbières ombrotrophes ont pour sources d’eau et de nutriments uniquement les précipitations atmosphériques (Payette et Rochefort, 2001; Mataloni et al., 2015). Dans ces circonstances, les conditions d’acidité s’installent et des communautés de végétaux (peu décomposés) dominées par les sphaignes remplacent graduellement celles constituées de carex. Ces tourbières sont caractérisées par un pH acide (inférieur à 4,0) et sont très pauvres en nutriments (Karu et al., 2014) et en oxygène due à une nappe phréatique affleurante (Joosten et Clarke, 2002).

Matières organiques des tourbières

Les Histosols, qui sont riches en composés organiques ou matières organiques (MO), contiennent un taux d’humus (substances humiques) élevé (Valladares et al., 2007; Kalisz et al., 2010). Cet humus s’est formé au cours du temps par la décomposition des végétaux qui les composent. Valladares et al. (2007) ont fractionné la MO totale de 19 profils d’Histosols et de deux sols riches en MO (Inceptisol et Entisol) provenant de différentes régions du Brésil, en acides humiques (AH), acides fulviques (AF) et humines (H). Les teneurs en C des substances humiques (AH + AF) représentaient 88 à 92% du C organique total des échantillons de sol. Karam et al. (2003) ont trouvé des valeurs de MO variant de 33,1 à 92,7% (moyenne de 82,0 ±14,1%) pour 28 échantillons de sols organiques (0-15 cm) provenant du sud-ouest du Québec. La complexité des structures des substances humiques a conduit à des définitions diversifiées. D’une manière générale, les substances humiques sont constituées d’une série de polymères hétérogènes, amorphes, partiellement aromatiques, de poids moléculaires relativement élevés, ayant divers groupements fonctionnels et une couleur jaune à noir-brun, résultant de réactions de dégradation biotique et abiotique (Schnitzer et Khan, 1978; Stevenson, 1994; Tan, 1998; Sparks, 2003). Il est à souligner que les sols contiennent à la fois des substances non humiques et des substances humiques (Sparks, 2003). L’humus est synthétisé à partir des résidus de lignine transformés par oxydation des composés phénoliques solubles dérivés de la décomposition de la lignine, de la cellulose et des sucres solubles; des matières azotées (protéines, acides aminés, ammoniac); des éléments minéraux (argile, limons, oxydes de fer, divers cations) en liaison avec les substances humiques (Soltner, 2011). L’humus est ainsi formé de molécules semblables à noyau aromatique (phénolique ou quinonique) (Calvet, 2011; Vialykh et al., 2014). Il s’agit des acides fulviques (AF), des acides humiques (acides humiques gris et acides humiques bruns) (AH), l’humine et d’autres acides organiques (acides créniques, acides hématomélaniques) (Tan, 1998; Soltner, 2011). Les substances humiques possèdent des groupements fonctionnels tels carboxyle (-COOH), OH-phénolique, carbonyle (C=O), ester, quinone et méthoxyle (OCH3) (Schnitzer et Desjardins, 1966; Alloway, 1995). Les groupements fonctionnels carboxyliques et phénoliques sont les plus importants dans les processus d’échange cationique et de rétention des métaux (Kononova, 2013). Il est à souligner que les AH bruns retrouvés dans les sols tourbeux sont le principal agent de rétention de l’eau et des cations métalliques (Ca2+, Co2+, Cu2+, Fe2+, Mg2+, Mn2+) (Ghabbour et Davis, 2001). L’accumulation des MO non décomposées du sol est liée à une présence de polymères difficilement décomposables (lignine, subérine, polyphénols etc.) (Girard et al., 2011). L’accumulation de ces polymères récalcitrants est facilitée par la pollution métallique issue de la forte affinité des métaux pour les MO et par le passage des MO dans le tube digestif de certains organismes comme les coléoptères (Girard et al., 2011). Les bactéries sont actives dans un milieu neutre. Un milieu acide favorise plus l’activité des champignons qui est lente et incomplète (Soltner, 2011). Le calcium peut stimuler l’activité bactérienne et permet de neutraliser simultanément les acides organiques et l’acide nitrique issus de la nitrification. Le calcium favorise aussi les processus de polymérisation et d’humification, donc la formation d’acides organiques et d’humines, les composants de l’humus qui ont des caractéristiques colloïdales intéressantes. Enfin, les ions Ca2+ peuvent jouer un rôle de cations de liaison entre l’argile et l’humus (complexe argilo-humique).

Guide du mémoire de fin d’études avec la catégorie ANALYSES CHIMIQUES ET BIOÉNERGÉTIQUES

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Table des matières

RÉSUMÉ LONG
RÉSUMÉ COURT
ABSTRACT
LISTES DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
REMERCIEMENTS
CHAPITRE 1 : PROBLÉMATIQUE ET CONTEXTE DE L’ÉTUDE
1.1. Problématique
1.2. Contexte de l’étude
CHAPITRE 2 : REVUE DE LITTÉRATURE
2.1. Les tourbières
2.1.1. Formation des tourbières
2.1.2. Matières organiques des tourbières
2.1.3. Minéralisation du carbone organique
2.1.4. Acidité des tourbières
2.1.5. Capacité d’échange cationique
2.1.6. Métaux lourds dans les tourbières
2.1.6.1 Rétention et accumulation des métaux lourds
2.1.6.2. Fractions chimiques des métaux lourds
2.1.6.3. Dissolution et mobilité des métaux
2.2. DÉGRADATION DES TOURBIÈRES RÉSIDUELLES ET LEUR RÉHABILITATION
2.2.1 Facteurs contribuant à la dégradation des sols tourbeux
2.2.2 Chaulage des sols
2.2.3. Fertilisation
2.2.4 Plantes énergétiques
2.2.4.1. Les saules (Salix spp.)
2.2.4.2. L’alpiste roseau (Phalaris arundinace L.)
2.2.4.3. La capacité calorifique du saule et de l’alpiste roseau
CHAPITRE 3 : HYPOTHÈSES ET OBJECTIFS
3.1. INTRODUCTION
3.1.1. Hypothèse de recherche
3.2. OBJECTIFS DU TRAVAIL DE RECHERCHE
3.2.1. Objectif principal
3.2.2. Objectifs spécifiques
3.2.3. Utilisation des données de la recherche
3.2.4. Motivation de la recherche
CHAPITRE 4 : MATÉRIELS ET MÉTHODES
4.1. MATÉRIELS
4.1.1. Sols de tourbières résiduelles
4.1.2. Chaux agricoles
4.1.3. Engrais de synthèse
4.1.4. Plantes
4.2. ESSAIS EN SERRE
4.2.1. Effet de la chaux calcique sur quelques propriétés chimiques du sol en fonction du temps d’incubation
4.2.2. Effet de la chaux calcique sur quelques propriétés chimiques du sol ainsi que sur la croissance et le rendement du saule
4.2.3. Effet de la fertilisation sur quelques propriétés chimiques du sol ainsi que sur la croissance et le rendement du saule
4.2.4. Effet de la fertilisation (plusieurs combinaisons de doses N, P et K) sur la croissance et les teneurs en certains métaux de l’alpiste roseau
4.3. ESSAIS AU CHAMP
4.3.1. Généralités
4.3.2. Effet de la fertilisation minérale (N-P-K) sur la croissance, le rendement, la capacité calorifique et les teneurs en quelques métaux du saule et de l’alpiste roseau cultivés dans les couches organiques de surface de la tourbière résiduelle
4.4. ANALYSES CHIMIQUES ET BIOÉNERGÉTIQUES
4.4.1. Sols
4.4.2. Plantes
4.5. TRAITEMENTS STATISTIQUES
CHAPITRE 5 : RÉSULTATS ET DISCUSSION
5.1. EFFET DE LA CHAUX CALCIQUE SUR QUELQUES PROPRIÉTÉS CHIMIQUES DU SOL
5.1.1. Contenu en matière organique (MO) totale du sol
5.1.2 Acidité échangeable (AÈ) et pH du sol
5.1.3. Teneurs en aluminium labile du sol
5.1.4. Teneurs en quelques éléments traces métalliques (Fe, Cu, Mn, Zn) sous formes labiles dans le sol
5.1.5. Teneurs en calcium et magnésium labiles du sol
5.1.6. Conclusion
5.2. EFFET DE LA CHAUX CALCIQUE SUR QUELQUES PROPRIÉTÉS CHIMIQUES DU SOL AINSI QUE SUR LA CROISSANCE ET LE RENDEMENT DU SAULE
5.2.1. Propriétés chimiques du sol cultivé
5.2.2. Fractions chimiques de quatre oligoéléments métalliques
5.2.3 Croissance, rendement et teneurs en quelques métaux du saule
5.2.3.1 Croissance et rendement du saule
5.2.3.2 Teneurs en quelques métaux du saule
5.2.3.3 Conclusions
5.3. EFFET DE LA FERTILISATION SUR QUELQUES PROPRIÉTÉS CHIMIQUES DU SOL AINSI QUE SUR LA CROISSANCE ET LE RENDEMENT DU SAULE
5.3.1. Propriétés chimiques du sol cultivé
5.3.2. Fractions chimiques de quatre oligoéléments métalliques
5.3.3. Croissance, rendement et teneurs en quelques métaux du saule
5.3.3.1. Croissance et développement du saule
5.3.3.2. Teneurs en quelques métaux du saule
5.3.3.3. Conclusions
5.4. EFFET DE LA FERTILISATION NPK SUR LA CROISSANCE ET LA TENEUR EN QUELQUES OLIGOÉLÉMENTS MÉTALLIQUES DE L’ALPISTE ROSEAU
5.4.1. Effet de la fertilisation sur la croissance de la plante
5.4.2. Concentrations des métaux dans les tiges et les racines de la plante
5.4.3. Conclusions
5.5. ESSAIS AU CHAMP
5.5.1. Saule
5.5.1.1. Propriétés chimiques des parcelles de sols organiques
5.5.1.2. Teneurs en quelques éléments traces métalliques (Fe, Cu, Mn, Zn) sous formes labiles et potentiellement labiles dans le sol
5.5.1.3. Croissance, rendements en biomasses et concentration en quelques métaux du saule
5.5.1.4. Capacité calorifique du saule
5.5.2 Alpiste roseau
5.5.2.1 Propriétés chimiques des sols organiques
5.5.2.2. Teneurs en quelques éléments traces métalliques (Fe, Cu, Mn, Zn) sous formes labiles et potentiellement labiles dans le sol
5.5.2.3. Croissance, rendements et concentration en quelques métaux de l’alpiste roseau
5.5.2.4 Capacité calorifique de l’alpiste roseau
5.5.3. Conclusions
6. CONCLUSION GÉNÉRALE ET PERSPECTIVES
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES .

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