Résumé

Un échantillon de sol est mis au contact d'un réactif oxydant. La quantité de réactif transformé par la réaction est dosée par une méthode colorimétrique. La mesure peut se faire à proximité du champ.

Questions posées

Quelle est la quantité de carbone actif (matière organique rapidement minéralisable) présente dans l'échantillon étudié ?

Mon sol est il bien pourvu en matière organique facilement minéralisable par les micro-organismes ?

L'activité biologique de mon sol pourra-t-elle fournir des éléments nutritifs aux plantes à partir du stock de matière organique présent.

Sources

Ce protocole est celui proposé par Steve Culman (2012a) et par Biofunctool® Thoumazeau (2019). Ce protocole est adapté de celui de Weil (2003) destiné à mesurer des sols à faible teneur en carbone actif.

Attention: ce test ne serait pas bien adapté aux sols des terres sèches semi-arides (Romero 2018)

Principes

Le carbone de la matière organique est oxydé par une solution de permanganate de potassium (KMnO4). Les matières organiques oxydées de cette façon sont les matières facilement minéralisables par l’activité biochimique du sol (carbone actif) celles dont le turn over est relativement rapide (de quelques mois à quelques années). La solution a une coloration violette, dont l’intensité dépend de la teneur en carbone. Plus la solution est claire et plus l’échantillon contient du carbone actif.

Le test colorimétrique peut se pratiquer à la fois au laboratoire et sur le terrain (disposer à minima d'une table de jardin ..).

Conditions de mises en œuvre

MISE EN GARDE: le réactif utilisé, bien que dilué, est un oxydant puissant et tache les matières organiques (peau, yeux, tissus ...). Veuillez le manipuler avec beaucoup de précaution, portez gants et lunettes.

La mesure s'effectue avec un échantillon de terre sèche de 2,5 g tamisée à 2 mm.

S'assurer d'avoir suffisamment de solution de permanganate de potassium (préparer la solution mère). Agitez le flacon pour homogénéiser la solution.

Avant de réaliser le protocole, préparer le matériel nécessaire (cf. la liste ci dessous), dont un bécher avec au moins 20ml d'eau distillée pour chaque mesure à réaliser et la pissette remplie d'eau distillée.

Disposer d'une montre ou d'un chronomètre.

Lorsque la mesure est réalisée avec un spectrophotomètre:

• Connaitre la courbe standard d'absorbance de la solution employée (réaliser la courbe étalon).

• Utiliser le tableur qui permet de réaliser les calculs de la teneur en carbone organique actif.

Matériels et fournitures

• mini balance de précision 0,01g

• tamis avec mailles de 2 mm

• rack avec 5 cuvettes de spectrophotomètre et la charte colorée POXC

• rack avec 4 piluliers 30 ml et 4 tubes à centrifuger 50 ml pour le test POXC

• flacon de 60 ml KMnO4

• bécher de 100 ml

• seringues de 1 et 20 ml

• pipettes pasteur 3ml

• flacon de 500ml d'eau déminéralisée

• pissette de 250 ml remplie d'eau déminéralisée

• gants nitrile

• lunettes de protection

• spectrophotomètre de paillasse ou portatif (voir les modèles DIY du Pecnot'Lab).

Réalisation de la mesure

• Prélever un échantillon de sol selon le protocole (réaliser un prélèvement)

• Séchez modérément l'échantillon. Idéalement il faut sécher l'échantillon 24 h à l'air, à défaut pendant 15 minutes au soleil (Weil 2003) ou sécher modérément (25°C) au sèche cheveux (Thoumazeau 2019).

• Tamiser au tamis de 2 mm.

• Peser avec la balance de poche 2,5 g de sol sec tamisé.

• Placer la terre dans le pilulier (IMAGE)

• Prélever 18 ml d'eau déminéralisée avec la seringue de 20 ml, laisser la seringue à disposition dans le bécher.

• Avec la pipette pasteur prélever 2ml de solution de KMnO4

• Placer les 2ml dans le pilulier contenant la terre

• Sans tarder (dans les 10 secondes) placer les 18 ml d'eau dans le pilulier.

• Replacer le bouchon du pilulier et agiter le pilulier d'un mouvement régulier d'une cadence d'un coup par seconde pendant 2 minutes (on peut aussi utiliser l'agitateur automatique).

• Replacer le pilulier dans le rack et attendre 10 minutes sans le bouger.

• Profiter éventuellement pour préparer un autre échantillon.

• Après 10 minutes prélever 0,5 ml de surnageant (partie supérieure du liquide dans le pilulier) avec la seringue de 1 ml. Veillez à ne pas remuer le pilulier ni à toucher son fond avec la seringue.

• Transférer les 0,5 ml dans un tube à centrifuger de 50 ml.

• Ajouter avec la pissette de l'eau déminéralisée dans le tube et compléter le niveau à 50 ml (dernière graduation avant le bouchon).

• Secouer doucement le tube pour homogénéiser la solution.

• Avec une pipette pasteur propre de 3 ml remplir une cuvette de spectrophotomètre jusqu'à 5 mm du bord environ.

• Comparez la coloration avec la charte colorée ou réalisez la lecture au spectrophotomètre pour une mesure précise.

Exploitation des données

Traitement des données

Estimation visuelle

L'estimation visuelle avec la charte colorée est très imprécise elle fourni une estimation indicative. Seule la mesure au spectrophotomètre apporte une information de qualité.

Mesures au spectrophotomètre

Mesurer l'absorbance de chaque échantillon au spectrophotomètre à 550 nm.

La courbe étalon permet de déduire la concentration de KMnO4 correspondante. La teneur en Carbone actif est donnée par l'équation suivante:

où

POXC (mg.kg-1 de sol): carbone actif du sol’’

KMnO4 (mol.L-1): concentration de la solution initiale de KMnO4 (0.02)

Cox (mg.C.mol-1): quantité de C oxydé par 1 mole de KMnO4 (9000)

VolKMnO4 (L): volume du réactif (solution de KMnO4) (0.02)

Msoil (kg): la masse du sol (0.0025)

α: pente de la courbe étalon

β: interception de la courbe étalon

Abs: absorbance lue

Utiliser le tableur pour faciliter l'expression des résultats.

Interprétation des données

Références

• Steve Culman, Mark Freeman, Sieglinde Snapp (2012a) Procedure for the Determination of Permanganate Oxidizable Carbon - Kellogg Biological Station, Michigan State University, Hickory Corners, MI, 49060

• Culman, S.W., Snapp, S.S., Freeman, M.A., Schipanski, M.E., Beniston, J., Lal, R., Drinkwater, L.E., Franzluebbers, A.J., Glover, J.D., Grandy, A.S., Lee, J., Six, J., Maul, J.E., Mirksy, S.B., Spargo, J.T., Wander, M.M., (2012b). Permanganate Oxidizable Carbon Reflects a Processed Soil Fraction that is Sensitive to Management. Soil Science Society of America Journal 76, 494–504.

• Alexis Thoumazeau, Cécile Bessou, Marie-Sophie Renevier, Jean Trap, Raphaël Marichal, Louis Mareschal, Thibaud Decaëns, Nicolas Bottinelli, Benoît Jaillard, Tiphaine Chevallier, Nopmanee Suvannang, Kannika Sajjaphan, Philippe Thaler, Frédéric Gay, Alain Brauman (2019) - Biofunctool®: a new framework to assess the impact of land management on soil quality. Part A: concept and validation of the set of indicators. Ecological Indicators 97 (2019) 100–110

• Weil, R.R., Islam, I.R., Stine, M.A., Gruver, J.B., Samson-liebig, S.E., 2003. Estimating active carbon for soil quality assessment: a simplified method for laboratory and field use. American Journal of Alternative Agriculture 3–17.

• Carlos M. Romero, Richard E. Engel, Juliana D’Andrilli, Chengci Chen, Catherine Zabinski, Perry R. Miller, Roseann Wallander (2018). Patterns of change in permanganate oxidizable soil organic matter from semiarid drylands reflected by absorbance spectroscopy and Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry- Organic Geochemistry 120 (2018) 19–30

• Giulia Bongiornoa, Else K. Bünemann, Chidinm U. Oguejiofor, Jennifer Meier, Gerrit Gort, Rob Comans, Paul Mäder, Lijbert Brussaard, Ron de Goede (avril 2019) Sensitivity of labile carbon fractions to tillage and organic matter management and their potential as comprehensive soil quality indicators across pedoclimatic conditions in Europe - Ecological Indicators 99 (2019) 38-50

Résumé

La mesure de la perte au feu consiste en la calcination de la matière organique qui se dégage sous forme de gaz carbonique (CO2) et la mesure de la perte de masse par pesée. Cette analyse permet de connaitre la quantité de carbone organique présente dans le sol.

Question posée

Quel est le teneur de carbone organique dans mon sol ?

Principe

Pendant la calcination des échantillons à 600°C la matière organique est détruite et le carbone organique est dégagé sous forme de CO2. La perdre de poids correspond à la matière organique totale.

Étant donné que le % d'argile du sol a un effet sur le niveau de calcination il faut connaître cet valeur pour faire la correction nécessaire.

Conditions de mise en œuvre

Traitement d'échantillons prélevés sur site en éliminant les racines vivantes pour les horizons de surface.

Matériel et fournitures

Réalisation du protocole

1) Sécher un échantillon de sol à l’air libre.

2) Passer par un tamis de 2mm.

3) Sécher un creuset en porcelaine à l'étuve pendant 2h à 105°C.

3) Laisser refroidir le creuset dans le dessiccateur.

4) Peser le creuset sec dans la balance de précision et noter son poids (Pc).

5) Ajouter dans le creuset une prise d`essai d’échantillon d'environ 5g. Ne pas dépasser les ¾ de la contenance du creuset.

6) Déposer le creuset dans l’étuve et sécher l’échantillon à 105°C pendant 17 heures.

7) Laisser refroidir le creuset dans le dessiccateur.

8) Peser le creuset sec dans la balance de précision et noter sa masse (Pc+e initial).

9) Déposer le creuset dans le four.

10) Monter à 350°C et compter 1 heure de chauffage dès que la température est atteinte.

11) Monter à 450°C et compter 1 heure de chauffage dès que la température est atteinte.

12) Monter à 600°C et compter 2 heures de chauffage dès que la température est atteinte

13) Laisser refroidir jusqu’à 100°C environ dans le four et finir le refroidissement dans le dessiccateur

14) Peser le creuset et noter le poids(Pc+e final)

Exploitation des données

Estimation de la perte au feu ou loss on ingnition (LOI)

LOI en %

Pc = poids du creuset vide et sec à 105°C

Pc+e initial = poids du creuset + échantillon après séchage à 105°C

Pc+e final = poids du creuset + échantillon après calcination

Calcul de matière organique par correction par % argile selon équation de Jensen et al (2018)

Carbone organique du sol (COS)

avec COS, LOI et argile en %

Matière organique du sol (MOS)

avec MOS et COS en %

Références

· Allen (1974). La perte au feu ; Manuel de laboratoire (fiche 6), Univ. NEUCHATEL, 4p

· Baize Denis (2018). Guide des analyses en pédologie 3e édition revue et augmentée. Versailles: editions Quae, p. 71-74

. Jensen et al (2018).Converting loss-on-ignition to organic carbon content in arable topsoil: pitfalls qnd proposed prodecure. European Journal of Soil Science. Vol69, Issue4, July 2018, p. 604-612

. Apesteguia et al (2018). Methods assessment for organic and inorganic carbon quantification in calcareous soils of the Mediterranean region. Geoderma Regional 12 (2018) 39-48

Objectif

Le dosage du carbone organique total du sol nous permet d’évaluer la quantité de matière organique présente dans des échantillons de sols.

Principe

Le carbone de la matière organique est oxydé par un mélange de bichromate de potassium et d’acide sulfurique. On admet que l’oxygène consommé est proportionnel au carbone que l’on veut doser. Après la réaction, le bichromate en excès, qui n’a pas réagi avec l’échantillon, est titré par le sel de Mohr. Ce dosage permet de définir la concentration de carbone organique total.

La mesure de l’humidité résiduelle est nécessaire pour calculer la teneur en carbone organique

Condition de mise en œuvre

Matériel et fourniture

Préparation des solutions

Trois solutions sont à préparer. L’eau utilisée pour réaliser ces solution est de l’eau déminéralisée.

Solution 1 : Mélange oxydant au bichromate de potassium K2Cr2O7 : Après chaque pesée, la balance ainsi que la paillasse sont soigneusement nettoyées à l’aide d’un papier absorbant humidifié et jeté par la suite dans la poubelle adaptée.

Dans le ballon, équipé de l’agitateur, dissoudre 19,86 g de K2Cr2O7 dans 200 ml d’eau puis ajouter avec précaution 400 ml de H2SO4 et 200 ml de H3PO4. Amener le mélange à température ambiante en plaçant le mélange dans une cuvette remplie de glace (en maintenant l’agitation). Jauger à 1 L.

Solution2 : Indicateur coloré, acide diphénylaminosulfonate : Dans le ballon jaugé, dissoudre 5 g de BaCl2.2H2O et 0,3 g de C24H20BaN2O6S2 dans 100 ml d’eau. Chauffer si nécessaire, sans dépasser les 100 °C.

Solution 3 : Sel de Mohr 0,4 M (à réaliser le jour de l’analyse) : Dans un ballon ou un bécher, dissoudre 156,86 g de (NH4)2Fe(SO4)2.6H2O dans environ 250 ml d’eau. Ajouter 20 ml de H2SO4 et diluer à 1 L.

Réalisation de la mesure

1. Préchauffer le bain à sec à 150 °C sans les allonges.

2. Placer la prise d’essai de sol dans une allonge à col rodé à 500 ml.

3. Ajouter, à l’aide de la pipette, 25 ml de la solution 1 (mélange oxydant au bichromate de potassium K2Cr2O7) dans les allonges (échantillon + blanc). Attention ce mélange est très dense, il adhère aux parois de la pipette jaugée. Plusieurs pipetages peuvent être nécessaires.

4. Placer les allonges dans le bain à sec et raccorder les allonges aux réfrigérants et faire chauffer doucement le tout pendant 1h (ébullition lente et modérée).

5. Après 1h, retirer les allonges et les laisser refroidir.

6. Dans chaque allonge ajouter 100 ml d’eau distillée.

7. Ajouter ensuite 5 ml de la solution 2 (indicateur coloré).

8. Titrer le dichromate restant avec la solution 3 (sel de Mohr) : l’allonge à titrer est mélangée par l’agitateur magnétique surmontée de la burette remplie par la solution 3, jusqu’à ce que la couleur change de bleu-violet à vert.

9. Lorsque l’on observe ce changement de couleur, ajouter 2,5 ml de la solution de mélange au bichromate (solution 1) dans l’allonge et reprendre la titration goutte à goutte.

Exploitation des données

Corriger la masse de la prise d’essai par l’humidité résiduelle (HR en %) calculé à l’aide du protocole D1. La masse corrigée M, de la prise d’essai initiale m, se calcule selon la formule : M (en g) = m – [(m x HR ) / 100]

1 équivalent-gramme de bichromate titre 1⁄4 d’atome de carbone, soit 3 grammes. Ainsi 1 ml de bichromate 0,4 M titre donc (3 x 0,4)/1000 gramme de carbone, soit 0.0012 g de carbone.

Le calcul de la teneur en carbone organique (Corg en %) se calcule selon la formule suivante :

Corg (en %) = [(V0 – V) x 0,12] / M

Avec, VO= volume de sol de Mohr utilisé pour la titration du blanc (ml) V = volume de sol de Mohr utilisé pour la titration de l’échantillon de sol (ml) M = masse corrigée de la prise d’essai de sol (en g)

La teneur en carbone organique est exprimée en % (ou en g / 100 g) de terre séchées à 105 °C.

Il est possible de convertir le Corg obtenue en teneur de matière organique à l’aide d’un facteur correctif (1,72). En général, on admet que la matière organique du sol contient 58 % de carbone .

MO (%) = Corg (%) x 1,72

La matière organique occupe dans le sol des rôles variés. La formation de complexe argilo- humique amplifie grandement la capacité d’adsorption et de rétention de l’eau, augmente la capacité d’échange cationique du sol et retient les nutriments assimilables par les plantes.

Le référentiel pédologique propose 4 catégories principales selon les taux de carbone organique contenu dans un horizon.

Références

Manuel de laboratoire, Le carbone organique (méthode Anne simplifiée) - Université de Neuchâtel, 2007.

Dabin, B (1970). Analyse des matières organiques dans les sol. O.R.S.T.O.M.

Baize, D. (2009). Référentiel pédologique 2008. Editions Quae.