PEDOLOGIE

Bulletin de la Société BeIge de Pédologie, édité avec l'aide financière de la Fondation Universitaire et

des Ministères Belges de I'Education et de la Culture Française et Flamande

Tijdschrift van de Belgische Bodemkundige Vereniging, uitgegeven met de financiële steun van de Universitaire

Stichting en van de Belgische Ministeries van Opvoeding en Vlaamse, resp. Franse Cultuur

1990

XL-2

COMITE DE REDACTION - EDITORlAL BOARD - REDACTIECOMITE

J.B. Ameryckx (Gent, B) J. Bouma (Wageningen, NL) P. Bullock (Rothamstead, UK) F. Delecour (Gembloux, B) J. De Ploey (Leuven, B) J. D 'Hoore (Leuven, B) P.M. Driessen (Wageningen, NL) R. Dudal (Leuven, B) J.Feyen(Leuven,B) R. Frankart (Louvain-la-Neuve, B) M. Jamagne (Ardon-Olivet, F) R.J. Jones (Wolverhampton, UK) R. Gabriels (Merelbeke, B) M.C. Girard (Grignon, F) G. Hanotiaux (Gembloux, B)

K. Harmsen (Haren, NL) R. Hartmann (Gent, B) A. Herbillon (Vandoeuvre, F) G. Hofman (Gent, B) J.P. Legros (Montpellier, F) D. Mackney (Rothamstead, UK) L. Mathieu (Gembloux, B) R. Moermans (Gent, B) R.P. Morgan (Silsoe, UK) U. Schwertmann (München, D) J.L. Sehgal (Nagpur, IND) N. Silleos (Thessaloniki, GR) G. Stoops (Gent, B) A. Van der Beken, (Brussel, B) M. Verloo (Gent, B)

O. Van Cleemput (Gent, B), associate editor W.H. Verheye (Gent, B), chief-editor

PEDOLOGIE

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D/1990/0346/2

___ J

PEDOLOGIE, XL-2, p. 123-140, 1 tab., 11 fig., Ghent 1990

DISSOLUTION EN CUVETTE ET ARASEMENT D'ELE­MENTS GROSSIERS CALCAIRES DANS DES CALCRE­TES, SUR DES FORMATIONS ALLUVIALLES QUATER­NAIRES (BASSIN DE KSABI, MOYENNE MOULOUYA, MAROe)

Résumé

M. KAEMMERER J.C. REVEL

D. LEFEVRE

Dans les formations alluviales du Pléistocène supérieur du bassin de Ksabi, les éléments grossiers, à la surface des calcrètes, montrent une disso­lution en cuvette, Ie ciment restant en relief. TI semble que les impuretés contenues dans ce dernier protègent la calcite de la dissolution par les eaux de pluies, contrairement aux galets ou elle est beaucoup plus pure. Ces figures résultent de conditions d'érosion bi en particulières.

A sein de ces mêmes formations et de celles plus anciennes du même bassin de Ksabi, mais aussi dans les terrasses alluviales du Sébou à Fès, les auteurs ont relevé l'existence d'arasement aussi bi en des galets que du ciment à la partie supérieure des dalles épaisses constituant les encroûte­ments. Cet arasement paraît dû à des effets de pression-dissolution non plus localisés aux points de contact entre les éléments grossiers, maïs à l'interface entre les dalles. Ces phénomènes paraissent généraux dans toutes les fonna­tions marocaines de ce type.

Mots-elés Dissolution, arasement, calcrète, terrasses, Maroc.

M. Kaemmerer et J.-C. Revel- Laboratoire de Pédologie et Fertilisation, ENSAT, 145 Av. de Muret F-31076 Toulouse, Cédex, France. D. Lefevre - Laboratoire de Géomorphologie et d'Etude du Quaternaire. Université Scientifi­que et Technique de Lille, UFR de Géographie et d'aménagement, Flandres Artois. F-59655 Villeneuve d'Ascq, Cédex, France.

123

1. INTRODUCTION

Les fonnations alluviales du Quaternaire marocain paraissent figées dans Ie paysage grace à la présence de cailloutis cimentés par des accumulations carbonatées. De nombreux travaux les concernent, parmi lesquels on peut citer ceux de Raynal (1961), Ruellan (1967,1971), Dutour (1985), Lefevre (1984, 1985), Kaemmerer (1987) dans Ie bassin de la Moulouya, de Le Coz (1964), Beaudet (1969), Laouina (1973), Martin (1981), Kaemmerer (1987) dans Ie bassin de l'oued Sébou, ainsi que ceux de Weisrock (1973), Moreau (1981) dans Ie bassin de l'oued Tensift, de Couvreur et Vogt (1975) dans Ie Haut­Atlas, de Wilbert (1962) dans plusieurs bassins marocains. Les synthèses SUf

les accumulations carbonatées, dont celles de Goudie (1972), de Reeves (1976), de Bock (1981) et de Vogt (1983), partiellement reprises par Fedoroff (1989), pennettent de définir Ie calcrète ou croûte calcaire, cornme étant des accumulations carbonatées en couches individualisées de surface, d'origine pédologique (per ascensum ou per descensum suivant les modèles) ou sédi­mentaire. Il se distingue des calcaires lacustres, des travertins et autres accu­mulations azonales, par sa situation en régions semi-arides à tempérées. Les travaux sont nombreux sur la précipitation des carbonates du ciment, comme par exemple ceux de Adolphe (1969, 1972, 1981) sur les travertins et les cal­cins, de Freytet et Plaziat (1981) sur les ooïdes, de Nahon et al. (1980), Verges (1982), de Butel et Ducloux (1984), de Ducloux et al. (1984), de Ducloux et Dupuis (1987), de Phillips et Self (1987), de Phillips et al. (1987) sur les diffé­rents faciès de cristallisations de la calcite et leur filiation. Ceux concernant la dissolution des éléments grossiers sont plus rares (A vias, 1956, 1962; Lamou­roux, 1965; Blank et Tynes, 1965; Pochon, 1976; Bornand, 1978). Deux fonnes de dissolution sur les éléments grossiers n'ont pas fait l'objet d'une attention particulière, bien que souvent observés dans les calcrètes du bassin de la Moulouya et du Sébou (Laouina, 1973; Martin, 1981; Lefevre, 1985; Kaemmerer, 1987) : la fonne en "cuvette" des éléments grossiers calcaires, à la surface de certains calcrètes, et leur arasement dans les fentes subhorizontales parcourant ces mêmes calcrètes. Nous nous proposons ici de préciser les conditions qui régissent la fonnation de ces deux fonnes particulières, à partir d'un exemple choisi dans Ie bassin de Ksabi. Toutefois, pour étayer nos hypothèses, nous utiliserons des observations faites dans Ie bassin de Skoura.

2. MATERIEL ET METHODES

2.1. Cadre de ('étude Les calcrètes, au Maroc, couvrent de vastes surfaces sur tous les niveaux

pléistocènes et constituent un élément majeur dans la paysage. lis coiffent la

124

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Fig. 10.

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Localisation du bassin de Ksabi (K); du bassin de Skoura (S).

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partie supérieure détritique des glacis et des terrasses, ainsi que les versants qui les raccordent. Leur épaisseur varie du décimètre au mètre et plus. Le bassin de Ksabi possède un ensemble de terrasses pléistocènes armées de calcrètes particulièrement bien conservés (Lefevre, 1985; Kaemmerer, 1987).

Ce bassin est situé à 25 km à l'Est de Midelt (fig. 1), dans une large vallée encadrée par Ie Haut et Moyen-Atlas et débouchant à l'Est vers la Méditerra­née.

2.2. Environnement bioclimatique Le climat actuel est, selon Ie climagramme d'Emberger et Sauvage, aride à

saharien. Les précipitations y sont rares et irrégulières (150 mm en moyenne, avec une variabilité proche de 50 %), concentrées entre avril-mai et septem­bre-novembre; la température moyenne annuelle est de 15.5°C, avec de fortes amplitudes annuelles (Lefevre, 1985). La saison sèche, suivant Ie diagramme ombrothermique de Gaussen, s'étale de mai à mars. Ce climat est actuel et il a bien entendu varié au cours du Quaternaire. Lefevre (1985) propose un modèle d'évolution climato-sédimentaire pour ce bassin, dans lequel il fait apparaître des régimes climatiques allant de l'aride au sub-humide; mais cet auteur insiste sur Ie fait que l'ambiance générale, au cours du Pléistocène, est demeurée assez sèche.

Les chénopociacées et l'alfa sont les principaux représentants d'une maigre végétation clairesemée.

2.3. Les formations alluviales Les alluvions grossières quaternaires de la Moulouya et de ses affluents

reposent sur les marnes rouges tertiaires (Raynal, 1961; Lefevre, 1985; Kaem­merer, 1987). Les dépöts constitutifs des terrasses varient en fonction de leur äge : ce sont des dépöts grossiers surmontés de 2 à 5 m de limons sur la terrasse holocène et de 0 à 0.1 m pour les niveaux du Pléistocène supérieur. Les plus anciennes terrasses du Pléistocène moyen et inférieur sont essentiellement formées d'éléments grossiers. Ces dépöts grossiers sont consolidés par des carbonates sur plusieurs mêtres d'épaisseur (10-12 m), à leur sommet par Ie calcrète et à leur base par un encroûtement de nappe (fig. 2).

Les calcrètes sont absents dans les dépöts holocènes, bien développés dans les formations du Pléistocène (Lefevre, 1985; Kaemmerer, 1987). Nous nous intéresserons ici au calcrète développé sur la formation du Pléistocène supé­rieur, au sein de laquelle on rencontre un important outillage acheuléen (Lefevre, 1985) et qui contient, d'une manière bien marquée, les transforma­tions morphologiques des éléments grossiers que ron se propose d'étudier.

126

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CALCRETE

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ENCROUTEMENT

DE

NAPPE

10

MARNES 15

Fig. 2. Représentation schérnatique d'une séquence de la formation alluviale du Pléistocène supérieur du bassin de Ksabi.

3. METHODES

3.1. Macromorphologie La macromorphologie est étudiée SUf des échantillons bruts et sur des

échantillons sciés, à l'oeil nu et à l'aide de la loupe binoculaire.

3.2. Dissolution en "cu vette" Une fraction sciée du conglomérat est placée dans de l'acide chlorhydrique dilué (N/50). Après quelques heures d'attaque ménagée, l'échantillon est lavé abondamment et comparé aux échantilIons bruts de surface.

127

3.3. Résidu insoluble Le résidu insoluble, après attaque à l'acide chlorhydrique dilué, est analysé

par diffraction des R.X (cathode Cu) sur 4 lames (normale, chauffée 500°C, éthylène-glycol et hydrazine) et sa composition chirnique déterminée par une rnicrosonde d'érnission (Tracor Northem TN 171).

4. RESUL T A TS

Le profil étudié, caractéristique de cette formation alluviale, se situe au Nord-Ouest du village de Tamdafelt (32°54'N; 4°15'W). n présente une suc­cession d'horizons dont la terminologie est celle de Gile et al. (1965), modifiée par Pouget (1981) et reprise par Lefevre (1985) et Kaemmerer (1987).

4.1. Caractères généraux du profil Le profil se compose d'une suite d'horizons qui sont, de la surface vers la

profondeur (fig. 3a) : - Kr : horizon discontinu, constitué d'éléments grossiers, épars à la sur-

0-10 cm face du sol, souvent gélifractés, patinés, présentant des cupules ayant quelques millimètres de long, des fissures polygonales; transition nette;

- Klm1 : horizon laminaire fait d'une succession de lits rnillimétriques, bei-0-1 cm ge à rose brun, épousant la surface du sol : c'est la pellicule

rubanée de Ruellan (1971); elle enveloppe certains éléments gros­siers dans sa masse, mais en surface ils apparaissent en creux (cuvette) (fig. 4) par rapport à la surface générale. L'ensemble est colonisé par divers lichens; transition nette;

- Kh : horizon conglomératique discontinu correspondant au démantè-0-22 cm lement de la partie supérieure du calcrète; c'est un ensemble d'élé­

ments grossiers de tailles moyennes (axe principal compris entre 4 et 8 cm), principalement calcaires, englobés dans un ciment carbo­naté bron-rose saumon; ce sont des blocs profondément fissurés, alvéolés qui émergent au milieu de Kr; transition nette;

- Klm2 : identique à Klm1; transition nette; 22-23 cm

- KCr : horizon conglomératique compact présentant les mêmes carac-23-65 cm tères morhologiques de Kh; il est parcouro par de nombreuses

fentes subhorizontales délimitant des dalles, ou "feuillets", épais­ses de 20 à 40 cm, qui sont, elles-mêmes, découpées par des fissures verticales formant ainsi des bloes. Les blocs supérieurs peuvent être totalement enrobés par la pellicule rubanée qui prend, à leur face inférieure, un aspect mamelonné souligné par une fran-

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0 Klm1

10 Kr Kh 20 Klm2

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Sables - Limons - Argiles ,: .: .. :.:. : ... ... : ...... :.

Fig. 3. Représentation schérnatique : (a) du calcrète du Pléistocène supérieur (bassin de Ksabi); (b) du calcrète du Pléistocène supérieur (bassin de Skoura).

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Fig. 4. La dissolution en cuvette des galets (1).

Fig. 5. La fonne arasée des galets (1) et du ciment (2).

ge brune : ce sont les "barbes" de Lefevre (1985); les blocs inférieurs présentent, à leur face supérieure, des éléments gros­siers affleurants, arasés sur Ie même plan que Ie ciment (fig. 5); transition nette;

- Ke : horizon faiblement consolidé, ou les éléments grossiers sont 65-85 cm emballés dans une matrice carbonatée blanchätre de plus en plus

fragile et d'autant plus rare que 1'0n se rapproche de I'horizon C; transition graduelle;

- C : horizon constitué par un ensemble d'éléments grossiers, sans 85-150 cm précipitation carbonatée.

4.2. La forme en cu vette La forme en "cuvette" est caractéristique de ce niveau quaternaire. Elle af­

fecte, à des degrés divers, tous les éléments grossiers calcaires (fig. 4). Ces cuvet-tes sont profondes de 1 à 2 cm en moyenne et à la périphérie, Ie calcaire du ga-let remonte Ie long des parois en formant un biseau qui s'amincit en pellicule. Le ciment calcaire qui entoure les galets n'est pas affecté de la même façon et apparaît, de ce fait, en relief à la surface du sol. Sur les niveaux plus anciens et plus élevés, les éléments grossiers et Ie ciment prennent un aspect scoriacé (Lefevre, 1985), mais les éléments grossiers sont souvent en dépres­sion par rapport à la surface générale.

130

I

Fig. 7. Cupules sur la face supérieure des galets.

4.3. La forme arasée La fonne arasée, observée à la face supérieure des dalles de l'horizon KCr,

constitue une surface plane à légèrement ondulée qui recoupe aussi bien les éléments grossiers que Ie ciment (fig. 5). Elles s'observent dans les tranchées et en bordure de terras se érodée fonnant une falaise, ou les coupes naturelles sont visibles. Par contre, la face inférieure des dalles qui surmontent ces surfaces arasées, montrent soit des galets indemnes pris dans un ciment, soit des "barbes".

Pour mieux appréhender les phénomènes qui sont à l'origine de cette fonne arasée, deux autres fonnes de dissolution sont pris en compte pour cette étude. La première s'observe déjà dans Ie niveau holocène du bassin, dans les cailloutis : la dissolution affecte la face supérieure des galets aux points de contact avec des graviers, fonnant des cupules (fig. 7); ces graviers sont souvent cimentés à la surface supérieure des galets par une couronne calciti­que. La deuxième est observée dans Ie Pléistocène supérieur du bassin de Skoura (fig. 1), traversé par Ie Sébou. Ce niveau, morphologiquement com­parabie à celui du bassin de Ksabi, est coiffé par un calcrète semblable à celui décrit précédemment (fig. 3b); il ne s'en distingue que par un horizon KCr massif mais inégalement induré et sans feuillet; cette "fragilité" pennet des observations plus aisées. La dissolution affecte ici les graviers qui sont sur­montés par des éléments plus gros (fig. 8), se traduisant par l'arasement des premiers.

Fig. 8. Graviers arasés sous un galet.

131

5. DISCUSSION

5.1. La forme en cu vette La fonnation des cuvettes pourrait être Ie résultat de l'érosion éolienne. En

fait, celle-ci est caractérisée par des cupules ou petites dépressions ovales dont la longueur varie entre Ie millimètre et Ie centimètre, aux surfaces luisantes, affectant l'ensemble galet-ciment (Cailleux et Tricart, 1963). Celles-ci, peu nettes sur ce niveau quaternaire, se rencontrent sur la terras se immédiatement supérieure tant sur les galets en "cuvette" que sur Ie ciment. Donc, cette fonne en "cuvette", qui affecte la totalité de la surface des galets seuls, ne semble pas être Ie résultat de la corrasion.

Dans Ie but de recréer en laboratoire ces formes en "cuvette" , une fraction sciée du conglomérat est plongée dans de l'acide chlorydrique très dilué. Après quelques heures, l'observation montre des formes en "cuvettes" : la dissolution des éléments grossiers, constitués de calcaire ne contenant que quelques pourcents d'éléments insolubles, est plus rapide que celle du ciment. Celui-ci contient 54 % d'éléments insolubles qui sont, d'après les diverses analyses effectuées, des argiles (attapulgite, illite, chlorite), du quartz et des oxydes de fer (fig. 6, tab. 1). Ce résidu insoluble forme donc une trame qui offre une plus grande résistance à l'attaque de l'agent dissolvant et constitue un squelette qui protège de la dissolution Ie ciment calcaire en limitant les vitesses d'échange. Cette expérience montre donc que Ie calcaire est d'autant plus rapidement dis­sous qu'il est riche en carbonates de calcium.

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35 30 25 20 15 10

Fig. 6. Diagramme R.X. de la fraction insoluble du ciment. (1) : chlorite; (2) : attapulgite; (3) : illite; (4) Quartz.

132

Tableau 1. Analyse chimique semi-quantitative du ciment.

Nombre Poids % Poids % Poids de oxyde + oxyde + oxyde moles carbonate carbonate

CaC03 1 100 46,09

Si02 1,29 77,4 35,68 66,19

Al20 3 0,22 22,44 10,34 19,19

K20 0,05 4,70 2,17 4,02

F20 3 0,035 5,60 2,58 4,79

MgO 0,17 6,80 3,13 5,81

Les formes ainsi obtenues et celles observées sur Ie terrain sont semblables. Par analogie, on peut dire que Ie résidu insoluble du cÏment Ie protège (au moins temporairement) de la dissolution par les eaux de pluie et les cuvettes se forment dans les calcaires purs, plus rapidement dissous, laissant en relief les milieux contenant une forte proportion d'éléments insolubles.

5.2. La forme arasée L'absence de cassure des galets exclue une origine tectonique à ces fissures.

De même, leur présence à l'intérieur même de l'horizon KCr fait rejeter l'hypothèse d'une dissolution directe ou la fraction insoluble du ciment ne jouerait plus son role protecteur.

Ce sont les deux autres modes de dissolution vus dans Ie niveau holocène du bassin de Ksabi et dans Ie niveau du Pléistocène supérieur du bassin de Skoura, qui vont permettre d'émettre une hypothèse quant à l'origine de cette forme arasée. Le premier faciés de dissolution (cupules dûes aux graviers), déjà observé par Pochon (1978), a été étudié d'une manière expérimentale et théorique par Weyl (1959), Bathurst (1958), Charpal et al. (1980) et Capron (1983). Dans Ie modèle de Weyl (1959), repris et modifié par Capron (1983), un film aqueux fortement adsorbé entre les grains permet la dissolution à l'intérieur du contact intergranulaire avec diffusion de matière en solution; la précipitation de la matière dissoute se fait à l'extérieur de ce contact (fig. 9). Par analogie, on peut considérer que, lorsque les eaux de pluie traversent des

L_ 133

Fig. 9. Modèle de dissolution-précipitation entre deux galets; (1) : film d'eau adsorbée; (2) : zone de dissolution; (3) : zone de précipita­tion.

cailloutis, par tension superficielle, elles s'accumulent suivant un ménisque au point de contact du galet et des graviers. 11 y aurait de ce fait dissolution au contact, diffusion dans le ménisque et précipitation à l'extérieur du contact. On arrive alors au résultat suivant : la partie supérieure d'un élément grossier est dissoute au niveau du point de contact avec un autre élément grossier et autour de ce point précipite de la calcite (fig. 9).

L'arasement des graviers peut se concevoir de la même manière avec, cette fois-ci, un élément grossier surmontant des éléments plus fins; les cupules sont remplacées par un arasement régulier lié à la fonne de l'élément grossier sus­jacent (fig. 10). Cette dissolution tend progressivement à éliminer les petits éléments fins et leur disparition induit des zones plus fragiles qui apparaîtront durant l'induration de l'horizon KCr. On conçoit, par analogie, que les blocs fonnés jouent ensuite Ie même rale que les galets et arasent la face supérieure des éléments grossiers ou des blocs sous-jacents (galets et ciment) (fig. 11), ce

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Fig. 10. Modèle schématique du phénomène de pression-dissolution des graviers placés sous un galet.

134

Fig. 11. Modèle sehérnatique du phénornène de pression-dissolution entre deux bloes dans Ie calcrète.

qui crée une discontinuité préfigurant les fissures subhorizontales observées dans ces profils.

6. CONCLUSIONS

L'étude rnenée dans les fonnations alluviales du Pléistocène supérieur du bassin de Ksabi concerne des figures de dissolution jusqu'alors peu étudiées, contrairement aux figures d'éolisation (Cailleux et Tricart, 1954) ou au réseau de fissures polygonales (Bertouille et al., 1979). Elles sont rencontrées à l'interface sol-atmosphère pour les unes, et dans les fissures subhorizontales de l'horizon KCr pour les autres (fig. 2).

La dissolution différentielle, due aux irnpuretées du ciment, produisant les fonnes en "cuvette" des galets en surface est un phénornène limité dans Ie ternps qui nécessite des conditions bien particulières : consolidation et relative irnperrnéabilisation du calcrète; érosion éolienne peu intense et pluviosité suffisante.

Au contraire, l'arasernent à l'intérieur rnêrne des calcrètes paraît lié à des phénornènes de pression-dissolution. Les élérnents les plus grossiers, en ap­puyant sur les graviers, dissolvent ces derniers puis l'induration en bloes de la partie supérieure de la fonnation joue Ie rnêrne röle et provoque l'arasernent du toit des niveaux inférieurs. C'est un phénomène qui, une fois déclenché, va en s'arnplifiant à condition que l'érosion ne provoque pas Ie dérnantèlernent du calcrète.

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"Basin" dissolution and limestone pebbles tlattening in calcretes, of qua­ternary alluvial formations (Basin of Ksabi, Moulouya, Morocco)

Summary Into the upper Pleistocene formations of the Ksabi basin, the coarse ele­

ments contained in the calcrete, which are brought to the surface due to erosion of the more superficiallight horizons, show a dissolution "basin" with cement remaining in relief. The impurities it eontains seem to proteet the ealcite from being dissolved by the the rainwater, whereas it is much more pure than it is in

139

the pebbles. The drawings are the result of particular erosion conditions. Within these formations and the more ancient ones of the Ksabi basin, as

well as in the alluvial terraces of the Sebou in Fes, the authors noted the existence of a flattening of pebbles and cement at the upper part of the thick paving stones constituting the calcrete. This flattening seems to be due to pression-dissolution effects, no longer located at the contacting points be­tween coarse elements, but at the interface between the paving stones. These phenomena seem to be general in any formation of that kind.

140

PEDOLOGIE, XL-2, p. 141-154, 1 tab., 4 fig., Ghent 1990

SOME FEATURES AND PROCESSES ASSOCIATED WITH THE CALICHE UNDER HUMID CLIMATE, BALCARCE, ARGENTINA

M.S. PAZOS

Abstract Most of the udic Mollisols in the Southeast of Buenos Aires province rest

on top of a caliche that presents a high variability in depth, degree of induration, structure and calcium carbonate content. The whole sequence is developed on loessic sediments.

Fossil non-calcareous soil materials preserved within the caliche and thin dark layers with crumb structure and high organic matter content, develop­ed at the transition soil-caliche, were recognized in the field.

Microscopic observations evidenced past processes as clay illuviation and formation of aBt horizon. The presence of fragments of a depositional crnst is discussed. The posterior obliteration of the soil materials took place through calcite invasion to a variabie degree.

Presently, active deep processes include formation of thin dark layers through high biological activity in situ, deep clay illuviation, loc al dissolu­tion of calcium carbonate and calcite invasion of the fossilized remnants of Bt horizons.

Key-words Argiudolls, caliche, pedogenesis, Argentina.

1. INTRODUCTION

The udic Mollisols developed on loessic sediments cover about six millions of hectares in the Southeast of Buenos Aires province. Most of them rest on top of an almost continuous caliche that, in addition to the peculiarity of its presence under humid climate, presents a very high variability in depth, degree of induration, structure and calcium carbonate content, even at short distances, qualifying sometimes for a calcic and sometimes for a petrocalcic horizon.

M.S. Pazos - Facultad de Ciencas Agrarias, Universidad National de Mar del Plata, C.C. 276, 7620 Balearce, Argentina.

141

The tenn caliche is used here in the sense given by Brown (1956) as quoted by Gile (1961) for the calcareous zone beneath the soils which may range from friable to strongly or very strongly indurated fonns.

Even if the caliche is a limiting factor for crop production, not much attention has been given to the subject. Tricart (1973) proposed a stratigraphic scheme according to which the accumulation of calcium carbonate is Finipam­pian, early Mindel-Riss, while the upper soil is developing on Postpampian sediments, late Mindel-Riss and younger. According to Frenguelii (1957) the beginning of Postpampian corresponds with WÜfm. No final agreement has been reached yet on this matter which is beyond the scope of this paper.

In the subhumid environment of Buenos Aires province, Buschiazzo (1986) conc1udes that the fonnation of the caliche results from downward percolating water. More information is available on the caliche in arid and semiarid c1imate of Argentina (Mazza and Grazan, 1971), Del Valle and Beltramone, 1987) occasionally inc1uding some microscopic observations (Hayase and Dristas, 1970).

This study was carried out in the piedmont of the Sierras de Balcarce, SE of Buenos Aires province, in an extended slightly undulating plain where the non-calcareous Argiudoll, about 80 cm to more than 2 m deep rests directly on the caliche. Among the features associated with the caliche, indurated non­calcareous units with the appearance of fossil Bt horizons inc1uded in the calcareous matrix were observed in the field. Other common features are thin dark layers with cru mb structure developed at the limit soil-caliche. This paper gives a detailed morphology of these materials as they occur in this site of Balcarce, as well as some interpretations about fossil and presently active pedological processes on the basis of macro- and micro-morphological evi­dences.

2. MATERlALS AND METHODS

. About 25 square pits (2m x 2m x 2m deep) spread over an area of 30 m by 70 m in the INT A Experimental Station (Balcarce) were described, from which six profiles were chosen to sample the transition between the soil and the caliche, and the upper part of the caliche.

Position of the profiles, dep th of the caliche and the shape of its upper boundary are indicated in fig. 1.

Routine analyses were performed at the Soils Laboratory (INT A, Balcarce, Argentina). Calcium carbonate was detennined by gas volumetrie measure­ment af ter HCI treatment, and organic carbon by acid-dichromate digestion.

Thin sections (9 x 12 cm) of undisturbed samples were prepared at the Laboratory of Mineralogy, Petrography and Micromorphology (RUG, Ghent,

142

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Non-calcareous remnants

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Extremely hard calcareous nodules

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Belgium) and the Soils Department (INA, Grignon, France). Micromorpholo­gical descriptions follow the system of Bullock et al. (1985).

3. RESULTS

Overlying the caliche in profiles 1, 2, 6 and 7, thin dark layers were observed with the following characteristics : non-ca1careous, few millimeters to 5 cm thick, very dark (lOYR3/2 moist or darker), crumb to fine subangular blocky, with abundant fresh roots, abrupt lower boundary with the caliche and an average of 0.8 % organic carbon or more which represents three or four times the content of the immediately overlying and underlying horizons. These materials are continuous throughout the pedon and their presence and thick­ness keep no relation to the relief of the caliche nor with its hardness.

Field morphology of the ca1careous horizons is summarized in table 1. The non-calcareous units within the caliche vary widely in size, shape and amount, reaching the best degree of expression in profile 7, where they constitute a continuous non-calcareous Btb horizon. Dry color of the ca1careous horizons is white to light gray (10YR7/2 or 8/2) and included non-calcareous remnants are yellowish brown to lig th yellowish brown (lOYR5/4 to 6/4). The non­calcareous units have an average content of organic carbon of 0.02 %, about one tenth of the amount in the ca1careous matrix in which they are included.

Air-dried fragments of Ckm horizons containing non-ca1careous lenses were soaked in water. As aresult, the calcareous matrix slaked while the non­calcareous units showed only some fracturing along natural ped faces.

Micromorphological investigations have resulted in the following findings (i) Thin dark layers : microstructure is crumb intergrading to granular with

subrounded aggregates coarse sand-sized. The c/f limit is set at 5 Jlm with a ratio of ca. 20/80. Groundmass is mainly open porphyric within crumbs or granules. The fine material is very dark brown composed of an intimate mixture of clay and organic matter with undifferentiated b-fabric. There are abundant interpedal and few transpedal fresh roots. Decaying roots were not observed although they could be present and masked by the dark fine material. These materials frequently extend down through the Ckm as discontinuous secondary thin dark layers of loosely packed rounded aggregates. Main and secondary thin dark layers can be interconnected through loose continuous and discontinuous channel infillings. B-fabric of the secondary layers is crystallitic if ca1cite microcrystals are present and undifferentiated in non-ca1careous areas.

(ii) Ckm horizons : all the studied Ckm horizons, even those described in the field as continuously calcareous, present at least some small non-ca1ca­reous remnants in a calcareous matrix.

144

Table 1. Shortened field morphology of the caliche in the six studied profiles. Thin dark layers are present in profiles 1, 2, 6 and 7 but not described below.

Horizon Depth (cm) Description CaC03

1. Ckm2 91-100 Massive, frrm, CC, abundant tubular fine pores, common roots. 20.0

Ckm3 100-115 Massive, friable, thin carbonate films in pores and cracks, no roots 7.5

Ckm4 115-140+ Massive, friable, CC, no roots 15.0

2. Ckml 100-122 Very soft powdery calcareous matrix including : 43.1 100-122 NCU lenticular shaped, platy structure, very hard,

few carbonate coatings along cracks and pores; common channels with dark filling material 0.5

Ckm2 122-150 Massive, slightly hard, CC, no roots 28.2

3. Ckm2 80-120 Very hard, common NCU (l to 7 cm long) in a cal-careous matrix n.d.

Btb 120-150 Very hard, medium prismatic easily breaking into platy; shiny dark gray clay coatings with metallic appearance on ped faces; few vertical cracks 2 to 3 cm wide filled up with soft lime, separated about 15 cm 0.0

5. Ckm2 90-130+ Friable calcareous matrix including very firm NCU lenticular shaped (up to 15 cm long) angular blocky, very thin platy structure in upper part of lenses; abundant reddish iron-clay coatings on ped faces. Common transpedal fresh roots along tubular pores with calcareous coatings. Some channels with dark, organic-rich filling material 1.3.

6. Ckml 120-130 Massive, firm, CC, few roots 52.4 Ckm2 130-140+ Friable calcareous matrix including : 22.2

130-140+ very firm platy NCU 2.4

7.Ckm1 100-140 Very firm, CC, some discontinuous secondary thin . dark layers n.d.

CC = continuously calcareous NCU = non-calcareous units + = continuous deeper n.d. = not determined

145

Fig. 2. Tubular organic calcitic crystallizations inside pores of Clan horizons. XPL

The calcareous matrix is completely invaded by fine silt-sized calcite microcrystals, with crystallic b-fabric, the characteristic K fabric defined by Gile et al. (1965). Microstructure ranges from chamber, spongy subordinated, up to massive with intergrades. Density of calcite microcrystals is variabie with some highly calcareous areas with a minimum of 5 to 10 % coarse grains, usually in the upper subhorizons. Common non-calcareous areas are under­lying the thin dark layers, and as rounded aggregates within loose continuous channel infillings. Other forms of calcite are needie shaped and tubular orga­nic crystallizations (fig. 2), associated with any type of pores. Tubular organic crystallizations are calcitic tubes with a diameter of 6 to 12 !lm, an average length of 60 !lm and an internal non-calcitic filament. According to Dristas and Frisicale (1978) these tubular fonns correspond to the calcification of some soil algae. The calcium carbonate is deposited on the mucilage covering the algae but not on its cells. This should explain the central non-calcareous filament already described by Hayase and Dristas (1970). Needles inside vughs may present some preferred orientation as described by Rabenhorst and Wilding (1986). Well oriented thick yellowish and limpid clay coatings are found on pore walls and filling up pores. Also impure clay coatings, thinner, less limpid and occasionally entrapped in the matrix (fig. 3). Few compound coatings of limpid oriented clay over needie shaped calcite.

The non-calcareous units present grano- and monostriated b-fabrics and their intergrades up to undifferentiated. The c/f limit is set at /.lm with a ratio of ca. 35/65. Groundmass is mainly close porphyric. Fine material is clay or intimately mixed clay and organic matter, occasionally with iron impreg-

146

Fig. 3. Thin banded clay coatings on pores of Clan horizons (lower part) and entrapped in the matrix (middle right part). Crystallic b-fabric.

XPL

PPL

nations. Microstructure is subangular blocky with chamber and spongy sub or­dinated. Calcite is found as microcrystals, needle shaped or tubular organic fonns, surrounding peds, coating or filling up any type of pores (fig. 4, c, d). There are few calcareous nodules not related to pores. Oriented clay coatings are frequently affecting pores, entrapped in the soil matrix and combined with coatings of calcite microcrystals. There are some fragments of day coatings in the soil matrix. Common fragments of a depositional crost (fig. 4 a, b) with massive microstructure and graded bedding from fine sand to fine silt in the upper part. The crost fragments are sometimes interrupted by loose continuous channel infillings. Few transparent and colorless isotropic coatings of un­known nature on ped faces.

147

a. Two series of depositional crusts disrupted b. Detail of picture a. Calcite invasion along by pedoturbation. At the lower part of the pic- biopore. PPL ture, organicrich material with biogenic granu-lar microstructure. PPL

c. Id. b. XPL d. Detail of picture b. Abundant tubular organic calcitic crystallizations inside biopore. XPL

Fig. 4. Non-calcareous remnants in the Ckm horizon of profile 2.

(iü) Btb horizons : grano- and monostriated b-fabrics; the fine material « 51lm) is clay with common iron impregnations with a c/f ratio of ca. 35/65; the groundmass is mainly close porphyric. Angular blocky microstructure with vughy and spongy subordinated. Clay coatings on ped faces, pores and entrapped in the soil matrix. Compound pore coatings of oriented clay inclu­ding silt layers. Common iron impregnations in the external layer of clay coatings. Few sharp iron nodules. Calcite is not found in the groundmass but as coatings or filled up pores in the same crystalline forms that were described above.

4. DISCUSSION

The earliest soil forming processes are evidenced by the non-calcareous remnants preserved within the Ckm horizons. These materials present a wide range of expression. In profile 3 they constitute a continuous non-calcareous horizon and both field morphology and micromorphology, mainly with re­spect to structure and distribution of clay coatings at both levels, suggest that this is a Bt horizon fossilized in situ. This is an evidence of soil formation during aperiod stabie and humid enough to allow clay illuviation to proceed and form a Bt horizon, in this sense a climate similar to the present one. The presence of clay coatings entrapped in the soil matrix both of the Btb horizon and the remnants within the calcareous matrix resembles the same feature in the present argilic horizons in the area which can be explained as follows : clay is illuviated along pores and forms clay coatings. Due to pressure caused by swelling, root development or faunal turbation these pores become closed and thus the coatings become entrapped in the soil matrix. New pores are opened by shrinking, earthworm activity or the decay of roots, which in turn become the new conduits for percolating water. In the rest of the profiles the non­calcareous materials appear as platy units in a calcareous matrix and microsco­pic observations show heterogeneous b-fabrics, clay coatings and their frag­ments, of Bt horizons up to mixtures of soil materials including parts of Bt horizons, most probably as the result of different degrees of destruction and colluviation of the original B t horizon.

Subsequent sedimentation and decalcification of loessic materials formed a calcic horizon that contributed to the partial obliteration of the previous soil materials through calcite invasion. Present arrangement of the non-calcareous remnants as accommodated horizontal plates separated by highly calcareous bands suggests that the rise process in soft lime explained by EIbersen (1982) has acted through the force exerted by crystallising calcite.

The role of the initially soft calcic horizon locally exposed and hardened would have had an effect on landscape development as the one described by

149

EIbersen (1982, p. 176) : the horizon acts as a shield on the surface which effectively protects it from erosion. Continuation of erosion in adjacent parts where no exposure and hardening has occured, causes the hardened parts to stand out in the landscape. A behaviour like this could easily explain the variabie dep th of the caliche, originally like a rolling relief of the calcareous crust under strong erosive and dissecting conditions, and later levelled by the thick Postpampian sediments. More detailed research is necessary to explain the fragments of a bedded crnst observed both in the lower part of the Argiudoll and within the upper part of Ckm horizons, sometimes as series of crusts, which in principle are considered as remnants of a synsedimentary structure of the early Postpampian materials.

The influence of depth of the caliche on the development of the upper soil (Pazos, 1985) results in argilic horizons with more and better expressed illuviation features as the caliche is closer to the surface. In addition to the processes that give rise to the Argiudoll, which are not discussed here, some deep processes are presently active like the formation of thin dark layers, clay illuviation in the calcareous horizons and calcite dissolution and recrystallisa­tion.

The microstructure and high organic matter content in the fine material of the thin dark layers evidences their formation through strong biological activi­ty in situ, mainly earthworm activity and also root development, with a genesis similar to that of the mollic epipedon : underground decomposition of organic residues in the presence of bivalent cations, particularly calcium (Soil Survey Staff, 1975). In fact, these materials present a quite similar appearance in color and structure with the surface Al horizon of the ArgiudoIl. By analogy with the Beta horizon proposed by Bartelli and Odell (1960) for a zone of clay accumulation which is found directly above the contact of leached soil mate­rial and calcareous glacial drift, it is proposed the denomination of Alpha horizon for the thin dark layers. The microstructure is typical of a material completely reworked by the soil fauna, mostly earthwonns, similar to the present mollic epipedons in the area. This phenomenon is more intensely expressed at the lower limit with the caliche, and down through the Ckm as channel infillings and secondary Alpha horizons. Present summer dry periods although short, may account for a concentration of biological activity both earthworm activity and root development at the interface soil-caliche, suggest­ing higher available moisture supplied by the caliche as weIl as an effect of physical barrier exerted by the change in consistence on reaching this material. Deep incorporation of organic matter proceeds in the calcareous matrix of Ckm horizons but does not reach the non-calcareous remnants due to their strong induration. Calcite-depleted features immediately beneath the Alpha horizons and advancing into the caliche show that these layers locally favour the dissolution of calcium carbonate. RecrystaIlisation phenomena are quite

150

abundant as microcrystalline calcite coating cracks and pores, as subcutanic features, and other crystalline shapes inside pores.

With regard to clay illuviation it is of most importance to clearly ascertain the time sequence of the features. At a given depth, both fossil and recent clay coatings can be present. The first type as a result of the clay illuviation in a non-calcareous media that gave rise to the now fossil Bt horizons. These clay coatings present layers enriched with sesquioxides or coarse grains, with a rather dirty aspect. Recent clay coatings are thicker, more limpid, show better orientation and they are the result of deep illuviation comparabie to that observed in the chalky substratum of soils with Beta horizon (Mathieu and Stoops, 1974). This latter type can be filling up pores but was not found entrapped in the matrix because of the high pore space stability due to the strong induration of the calcareous materials and included non-calcareous remnants. Recent clay coatings are the result of clay dispersed in a non­calcareous media, the upper soil, which is illuviated within the pores of the calcareous matrix of Ckm horizons. In agreement with the concepts of Wieder and Yaalon (1978) and Aguilar et al. (1983) carbonate may prevent the dispersion of clay but does not prevent the movement of already dispersed clay if pores are large enough.

5. CONCLUSIONS

A tentative sequence of processes is outlined as follows. Under a rather moist climate, soil formation took place on the Pampian sediments, from which some remnants of fossilized Bt horizons are preserved. The Finipam­pian caliche formation began with the development of an initially soft calcic horizon which partially obliterated the Pampian soils and hardened upon exposure with an irregular relief. Subsequent Postpampian sediments levelled the surface and gave rise to the present day Argiudolls in abrupt contact with the caliche below. Evidences of presently active deep processes include for­mation of Alpha horizons, clay illuviation in the pores of Ckm horizons, organic matter incorporation into the calcareous matrix of Ckm horizons and calcite dissolution and recrystallisation.

ACKNOWLEDGEMENTS

The author thanks Prof. Dr. G. Stoops for helpful suggestions during the course of the research, as well as on the final manuscript.

151

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Quelques traits et processus associés au caliche sous climat humide, Balcarce, Argentine

Resumé Les Mollisols udiques du sud-est de la province de B uenos Aires reposent

pour la plupart sur Ie sommet d'un caliche do nt la profondeur, Ie degré d'induration, la structure et la teneur en carbonate de calcium présentent de grandes variations. Toute la séquence s'est developpée dans des sédiments loessiques.

153

Sur Ie terrain on peut observer des fragments de sol fossile non calcareux préservés à l'intérieur du caliche, ainsi que les minces bandes foncées à la transition sol-caliche, montrant une teneur en matière organique elevée et une structure grumeleuse.

Des observations microscopiques mettent en évidence d'anciens processus comme l'illuviation d'argile et la formation d'un horizon B t. La présence de fragments d'une croûte d'origine sédimentaire est discutée. L'oblitération pos­térieure du matériau se produisit par une invasion de calcite à différents degrés.

Actuellement, les processus de profondeur actifs comportent la formation de minces couches foncées par une activité biologique intense et in situ, une illuviation profonde d'argile, la dissolution locale de carbonates de magnésium et l'invasion par la calcite de résidus fossilisés d'un horizon Bt.

Enkele bodemkenmerken en processen geassocieerd met caliche in een vochtig klimaat, Balcarce, Argentinië

Samenvatting De meeste Mollisolen (udic) in het zuidoosten van de provincie Buenos

Aires rusten op een caliche waarvan de diepte, verhardingsgraad, struktuur en kalkgehalte een grote variabiliteit vertoont. De ganse sekwentie heeft zich in loessachtige sedimenten ontwikkeld.

Op het terrein herkent men niet-kalkhoudend fossiel bodemmateriaal be­waard in de caliche, en in de overgangszone tussen de caliche en de bodems herkent men donkere lagen met een kruimelstruktuur en een hoog gehalte aan organisch materiaal.

Klei-illuviatie en vorming van een Bt-horizont in het verleden wordt ge­staafd door microscopische waarnemingen; ook de aanwezigheid van frag­menten voor een sedimentatie-korst wordt besproken. Een later uitwissen van het bodemmateriaal gebeurde in een verschillende mate door calciet-invasie.

De huidige aktieve, diepe processen omvatten ook de vorming van dunne donkere laagjes door intense in situ biologische aktiviteit, diepe klei-illuviatie, lokale oplossing van calciumkarbonaat en een calciet-invasie van de gefossili­seerde resten van Bt-horizonten.

154

PEDOLOGIE, XL-2, p. 155-168,6 tab., Ghent, 1990

MULCH AND TILLAGE EFFECTS ON WATER TRANS­MISSION CHARACTERISTICS OF AN ULTISOL AND MAIZE GRAIN YIELD IN SE. NIGERIA

J.S.C. MBAGWU

Abstract The influence of tillage and mulching on the water transmission character­

istics of an Ultisol and maize grain yield were investigated at Nsukka in southeastem Nigeria. Irrespective of treatments, soil water transmissivity, sorptivity, saturated hydraulic conductivity and macroporosity decreased with time. The magnitude of decrease was significant (P = 0.05) on the mulched plots and non significant on the mulched plots. These parameters were not affected significantly by tillage operations. Af ter three years of continuous cultivation, water transmissivity decreased by 18 %,64 %, 22 % and 79 %, respectively on the tilled-mulched, tilled-unmulched and until­led-mulched plots. The relative increase in bulk density with time was lower for the mulched plots (2.0 %) than for the unmulched plots (7-12 %) in both conventionally tilled and untilled treatments, and reflected the enhanced earthworm activities observed on the mulched plots.

Within each year or season, maize grain yield was highest on the untilled­mulched and lowest on the tilled-unmulched treatments. Differences in yield between the mUlched and unmulched plots were higher in the drier than wetter seasons, irrespective of the tillage treatments.

Key-words Physical properties, tillage practices, Nigeria.

1. INTRODUCTION

The water transmission rates of most tropical forest soils are high (Wood, 1971; Wilkinson and Aina, 1976). However, due to structural degrada­tions resulting from deforestation there is of ten a decrease in infiltration and

J.S.C. Mbagwu - Department of Soil Science, University of Nigeria, Nsukka, Nigeria.

155

saturated hydraulic conductivity rates once the forest is converted to arabie lands. The consequence of this reduced water intake rate is increased runoff and soil erosion (Lal, 1976). Because more forest lands must be used for arabie crop production in the tropics, several workers have tried to identify the best post clearing land management practices that will optimize the soil physical conditions as weIl as improve crop yields (Grewal and Singh, 1974; Lal 1975; Juo and Lal, 1977). Reduced tillage and mulching are some of the manage­ment practices that have been recommended.

According to Lal (1982), however, some reduced tillage systems that are suitable for some soils and crops in the tropics may be quite unsuitable for others. For this reason, the search for the most appropriate combination of land management systems suitable for different ecological zones should be intensi­fied. Such a research goal becomes more impelling when dealing with the fragile Ultisols of southeastern Nigeria. These Ultisols which support a rural population that is considered one of the highest in Africa (Lagemann et al., 1976) have serious constraints that limit their use for intensive crop produc­tion. Some of these constraints are low aggregate stability to water, low water holding capacity, high bulk density, low total and macroporosity with atten­dant reduced water intake and transmission rates. Research into the best methods for managing these soils is scanty.

In western Nigeria, Lal et al. (1980) reported increases in total porosity, saturated hydraulic conductivities and infiltration rates due to mulching a newly cleared Alfisol. In Puerto Rico, Lugo-Lopez et al. (1981) observed a 25 % increase in infiltration rate due to mulching a Coto clay soil (Tropeptic Haplorthox). Tilling the soil has also been reported to reduce infiltration rates on Alfisols in western Nigeria (Wilkinson and Aina, 1976) and an unclassified soil in Zanzibar (Khatibu et al., 1984) probably due to increased compaction and discontinuity of the pore geometry.

While Rodriguez and Lal (1985) noted that yields of paddy rice in western Nigeria were not significantly different between zero and conventionally tilled plots, Lal (1984) observed that maize grain yield on tilled plots (in the same ecological zone) was about one-third that on no-till plots. The effects of tillage and mulching on the water transmission characteristics of an Ultisol in south-eastern Nigeria and maize (Zea mays L.) yield are reported in this study.

2. MATERlALS AND METHODS

This study was conducted on the University of Nigeria Teaching and Research Farm located at Nsukka (latitude 06°52'N and longitude 07°24'E). The average annual amount of rainfall in this location is 1600 mm and is bimo-

156

Table 1. Some characteristics of the 0-20 cm depth of the Ultisol used in this study.

Parameter Value

Sand, % 74

Silt, % 5

Clay, % 21

pH (1 : 2.5 ~O) 5.4

pH (O.OlM CaC~) 4.8

Organic carbon, % 0.77

Total nitrogen, % 0.08

Exchangeable bases (me/WO g soi!)

Na 0.17

K 0.11

Ca 2.50

Mg 0.85

CEC (me/WO g soil) 3.96

Available P (Bray-l), ppm 5.0

dally distributed with peaks in July and October. This gives rise to two rainfed seasons, the first (longer season) between mid-April and early-August and the second (shorter season) between early September and early November.

The soil used is an Ultisol (Oxic Paleustult) belonging to the Nkpologu series. Some of its pertinent characteristics are given in table 1. Soil particle size analysis was done by the hydrometer method (Day, 1965); pH (in 1 : 2.5 H

20 or CaCl ) potentiometrically; organic carbon by the dichromate oxida­

tion method á~llison, 1965); available P according to the Bray-l method and exchangeable bases and cation exchange capacity according to the methods described by Jackson (1958).

In earIy March 1982, a 7 -year oid secondary bush faliow site was mowed mechanically and the trashes burned in-situ after drying. The factors under investigation were two tillage systems (conventional and no-tillage) and two straw mulch rates (0 and 2 t/ha) which yielded the following treatments : tilled-mulched (TM), tilled-unmulched (TU), untilled-mulched (UM) and un­tilled-unmulched (UU). Each treatment was replicated three times. The mulch material was dry elephant grass (pennisetum purpureum). Conventional till-

157

age consisted of disc-ploughing followed by disc-harrowing to a depth of about 20 cm while the no-tillage consisted of manual removal of weeds with minimal soi! disturbance.

Maize (Zea mays L.) variety 'TZSR (Yellow)' was grown on the subplots of dimensions 2.5 m x 2.25 m twice a year (during the first and second seasons) for three consecutive years. The maize seeds were planted three seeds per stand (using the following spacings : 75 cm between rows and 25 cm within rows) and later thinned to one per stand two weeks af ter gerrnination. A blanket application of 120 kg/ha N (as urea), 30 kg/ha P (as single superphos­phate), 120 kg/ha K (as muriate of potash) and 20 kg/ha Mg (as magnesium sulphate) was made at planting in 1982 (first season). During subsequent first seasons (1983, 1984), nitrogen rate of 60 kg/ha was side-dressed to the maize plants 4 weeks af ter emergence. Tillage operations were performed only in the first season of 1982. Before planting in subsequent years, weeds and stubbles were removed manually with minimal soi! disturbance. Mulch was then applied at the rate of 2 t/ha on the plots that received them. After tillage operations in the 1982 (first season) three weeks were allo wed for enough rain to accumulate before planting the maize.

Just before planting in 1982 and at the end of the study (three years later), three undisturbed soil samples were collected per replicate with cylindrical cores about 300 cm3 in volume. These were used to determine bulk density, saturated hydraulic conductivity (using a constant head permeameter) and volumetrie moisture retained at -0.01 MPa using a pressure plate apparatus. For comparative purposes data were also collected on adjacent bush fallow (BF) plots. Infiltration data were collected one per replicate by the double ring infiltrometer technique using cylinders of inner dimensions, 30 cm x 30 cm and outer dimensions 30 cm x 40 cm (Lal et al., 1980). The infiltration data were fitted into the truncated form of Philip's (1957) model,

I = At + St lfl (1) and Kostiakov's (1932) model,

I = Kr- (2) where I is cumulative infiltration (cm), t is time elapsed (min), A is soi! transmissivity, S is soil-water sorptivity (which depends on initial volumetrie wetness of the unwetted soil and the saturation wetness), and K and 'a' are soi!­dependent parameters. From results of many empirical studies O<a~l but recently, Ghosh (1985) proved mathematically that 'a' can assume values greater than unity.

Total porosity was computed from dry bulk density values assuming a particle density of 2.65 Mg/m3 while macro porosity was calculated from the following relationship.

Fa = F - 9v (0.01) (3) where Fa = macro porosity, F = total porosity and 9(0.01) = percent volume of

158

water held at -0.01 MPa (determined as indicated above). Simple correlations were used to relate the infiltration data to some soil physical parameters.

All data were analyzed statistically using the analysis of variance (ANO­VA) technique and differences in treatment means tested with the Duncan's Multiple Range Test.

3. RESULTS AND DISCUSSION

3.1. Soit physical properties As shown in table 2a there were significant differences in all the measured

physical properties due to tillage-mulch treatment and time of measurement. The non-significant interactions between treatment and time of measurement indicate the same trend in change of values with time.

The effects of these treatments on the physical properties shown in table 2b indicate that af ter three years of continuously cropping the soil there was a general decrease in transmissivity and sorptivity of soil water but the decrease was significant for the unmulched plots and non-significant for the mulched plots. The percent decrease in sorptivity was 10 %,23 %,33 %,20 % and 30 % respectively, for BF, TM, TU, UM and UU treatments. Irrespective of the mulch treatment, there was slightly more decrease in sorptivity on the tilled than untilled plots.

Also the percent decrease in soil water transmissivity was 3 %, 18 %, 64 %, 22 % and 79 % respectively for BF, TM, TU, UM and UU plots indicating again that mulching prevented drastic reduction in water transmissivity on this soil. This may be related to the fact that mulches break the kinetic energy of rain drops and prevent the drops from directly hitting the soil thereby reducing structural degradation and crusting as observed by Lal et al. (1980).

The magnitude of decrease in saturated hydraulic conductivity (af ter three years of continuous maize cultivation) followed similar trends as that of water sorptivity and transmissivity. In the bulk density data it was observed that the values for the tilled plots were just slightly lower than those of the untilled plots at time of planting. The same trend was observed in the macroporosity data. Obviously one would expect much lower bulk density and higher poros­ity on the freshly tilled (relative to the untilled) plots than those obtained in this study. A possible explanation for this is the three weeks allowed between ploughing and planting (when bulk density measurements were made) to make sure enough rain had accumulated in the soil to ensure unimpeded germina­tion. The impact kinetic energy of rain drops on the exposed soils during this period may have increased their compaction hence the slight difference in bulk density between the "freshly" tilled and untilled plots.

The percentage increase in bulk density af ter three years of cultivation were

159

Table 2a. The F-values of the analysis of varianee of treatment and time effects on the measured properties.

Sources of DF F-values variation

Sorptivity Transmis- Saturated Bulk Macro sivity hydraulic density porosity

conductivity

Soil man-agement(M) 3 96.51 208.23 216.45 4.55 3.72

Time (T) 1 8.42 72.61 281.62 5.01 4.92

MXT 3 NS NS NS NS NS

Except where indicated otherwise, all F-values were significant at the 5% probability level. NS = Not significant at the 5 % probability level.

Table 2b. Effects of tillage and mulch on physical properties of an Ultisol.

Treat- Soil water Soil water Saturated Bulk Macro mentsI sorptivity transmissivity hydraulic density porosity

(cm/min l /2) (cm/min) conductivity (Mg/m3) (%) (cmjh)

T 2 0 Tl To Tl To Tl To Tl To Tl

BF 16.80 15.13NS 0.35 0.34NS 78.2 73.2NS 1.35 1.36NS 21 20NS

TM 9.73 7.50NS 0.50 0.41NS 72.6 66. INS 1.37 1.40NS 28 26NS

TU 13.70 9.29* 0.22 0.08* 63.9 13.4* 1.37 1.54* 28 24*

UM 11.27 9.03NS 0.27 0.21NS 40.4 34.5NS 1.40 1.43NS 25 22NS

VU 10.12 7.06* 0.28 0.06* 19.3 9.6* 1.39 1.49* 29 24*

LSD (0.05) 2.06 1.87 0.07 0.10 10.3 12.6 0.04 0.07 4 3

(1) BF = bush fallow, TM = tilled-mulch, TU = tilled-unmulched, UM = untilled-mulched, VU = untilled-unmulched.

(2) To = immediately after setting up experiment; Tl = af ter 3 years of cropping.

* Differences between years significant at P=0.05; NS not significant.

160

0.7,2.2, 12.4,2.1 and 7.2 while the percentage decrease in macroporosity were 4.8, 7.1, 14.3, 12.0 and 17.2 respectively, on the BF, TM, TU, UM and UU plots, again showing the positive role mulching played in preventing extreme changes in these physical parameters.

The changes in soil water transmissivity and sorptivity following cultiva­tion agree with the results of Khatibu et al. (1984) and Lal et al. (1980). The general trend in these parameters is that of a decrease with cultivation irrespec­tive of treatment, confinning the results of other workers (Wilkinson and Aina, 1976) that once a secondary forest is brought into cultivation some decline in structure occurs. As will be discussed later, soil water transmissivity is gover­ned by the amount, continuity and durability of macropores in the soil. A reduction in the water transmissivity in soils with non-restricting layers (as the one used in this study) invariably implies an unfavourable modification in the macroporosity of the soil. This would imply (generally) more water erosion, water-Iogging and reduced aeration, root penetration and development. Soil water sorptivity, on the other hand reflects the influence of conductivity and matric suction on soil water transmission rates. It is affected less by changes in the characteristics of the macropores than the transmissivity term.

The results of this study show that the decline in soil sorptivity and transmissivity following continuous cultivation (with or without conventional tillage practices) can be substantially reduced on this Ultisol by application of mulches.

3.2. Infiltration characteristics The infiltration characteristics as influenced by the treatments at first

planting (T ~ and three years later (T 1) are shown in table 3. At T 0 the steady­state infiltration rates (cm/hr) were, 79, 120, 115, 97 and 85 respectively, for BF, TM, TU, UM and UU. At Tl the respective values were 78,97,35,95 and 32. With the exception of the BF and UM plots changes in steady-state infiltration rates with time were significant at P = 0.05. During the three years of cultivation, mulching reduced the magnitude of decline in the steady-state infiltration rates considerably. The values at Tl on the mulched plots almost tripled those for the unmulched plots. For the same mulch treatment the differences in steady-state infiltration rates were not significantly different for the tilled and untilled plots.

The percent decrease in steady-state infiltration rates between T 0 and Tl was 1.5, 19.4,69.2, 1.8 and 63 on the BF, TM, TU, UM and UU plots showing (as with the soil water transmissivity parameter) that the magnitude of decline in infiltration rates was more on the unmulched than the mulched plots.

The cumulative infiltration af ter 3 h was also higher on the mulched than unmulched plots. The values at T 0 were 329 cm, 295 cm, 268 cm and 253 cm respectively for TM, UM, TU and UU plots and at Tl' 302 cm, 286 cm, 109

161

Table 3. Infiltration rate (cm/h) of an Ultisol as related to time elapsed and soil management practices.

Time Mean infiltration rate (cmjh) interval (min) BF' TM TU UM VU

T2 0 Tl To Tl To Tl To Tl To Tl

0- 20 235.9 234.0 306.0 235.8 289.9 55.2 150.6 147.3 147.0 47.1

20- 40 158.6 159.1 263.5 161.4 220.1 36.9 101.3 97.9 89.7 32.4

40- 60 100.8 99.3 219.1 132.9 181.7 35.5 98.6 99.9 88.6 31.4

60- 80 79.8 80.8 180.6 116.1 172.3 35.4 97.9 99.6 87.6 31.8

80-100 80.3 80.5 168.3 99.0 159.8 35.4 97.8 97.3 86.0 31.8

100-120 79.9 80.0 141.2 97.1 136.3 35.4 97.5 96.0 85.3 31.7

120-140 79.5 79.0 120.5 97.0 115.0 35.4 97.0 95.0 85.4 31.8

140-160 79.6 79.0 120.4 97.0 115.2 35.4 96.8 95.0 85.3 3l.6

160-180 79.2 78.0NS 120.4 97.0** 115.0 35.4** 96.7 95.0NS 85.3 31.6**

(1) BF = bush fallow, TM = tilled-mulch, TU = tilled-unmulched, UM = untilled-mulched, VU = un-tilled-unmulched.

(2) To = immediately af ter setting up experiment; Tl = after 3 years of cropping.

** Final infiltration rate significant at P = 0.01; NS not significant.

cm and 95 cm respectively. This shows a percent reduction in cumulative infiltration of 9 %, 3 %, 146% and 166 % respectively for TM, UM, TU and UU treatments, pointing out again the beneficial role of mulches in preventing drastic decline in this parameter. When compared with the value of 236 cm for the BF plots at Tl' it is obivous that mulching more than tillage substantially increased the cumulative infiltration of this Ultisol.

Also, time to reach steady-state infiltration rates varied with time and the treatments. At T

O this was about 60 min, 120 min, 120 min, 120 min and 100

min on BF, TM, TU, UM and UU plots respectively (tab Ie 3), whereas at Tl the values were 60 min, 100 min, 40 min, 120 min and 40 min for the respective treatments. With the exception of the BF and UM plots, this trend points to a reduction in time to reach steady-state infiltration following cultiva­tion. The data at Tl show that it wiU take less than half the time to attain infiltration capacity on the bare than mulched plots.

According to Lal et al. (1980) one of the principal factors responsible for the positive changes in the above soil characteristics is earthworm activity, es-

162

Table 4. Regression models relating soil physical properties with steady-state infiltra­tion rates and Kostiakov's K constants .

Physical Property Steady-state R2 Kostiakov's K R2

(X) infiltration rate, (cm/min)

(cm/h) (YI) (Y2)

Bulk density Y I = 401.0 - 206.21X 0.645** Y2 = 51.8 - 19.80 0.680**

(Mg/m3)

Total porosity Y I = 16.1 + 1.33X 0.629** Y2 = -49.11 - 2.83 0.661**

(%)

Macro porosity Y I = -134.8 + 4.56X 0.582** Y2 = -16.22 + 1.09X 0.596**

(%)

Micro porosity YI = 211.0 - 6.89X 0.360* Y 2 = 19.24 - 0.86X 0.411*

(%)

Saturated hydraulic

conductivity (cm/h) Y I = 1.08 + 0.69X 0.927** Y 2 = -1.06 + 1.23X 0.922**

* Significant at 0.05 level ** Significant at 0.01 level

pecially those of the Hyperiodrilus and Eudrilus species. The activities of these earthworms as estimated by the number of casts per m2 on the plots at T were higher on the mulched than unmulched plots, but were little influencec1 by the tillage operations. The average values were 83, 96, 32, 106 and 45 for the BF, TM, TU, UM and UU plots respectively. Earthworm channels are durable and very effective as channels for water conduction within soil profi­les (De Vleeschauwer and Lal, 1981).

From the regression models shown in table 4 it is evident that the soil physical properties which influence steady-state infiltration rates and the time coefficient K in Kostiakov's model are similar. The theoretical analysis of Philip's equation for large values of time shows that the steady-state infiltra­tion rate is almost equal to the saturated hydraulic conductivity (or transmissi­vity, A). The coefficients of determination (R2) values of the regression models relating saturated hydraulic conductivity to steady-state infiltration rates or Kostiakov's K constant are similar. Furthermore, relationships be­tween saturated hydraulic conductivity or Kostiakov's K with bulk density, total porosity, macroporosity, and microporosity revealed similar R2 values. This implies that saturated hydraulic conductivity (and therefore, soil water

163

Table 5. Correlation coefficient (r) between some physical properties of an Ultisol and transmissivity and sorptivity characteristics.

Physical property Transmissivity (A) Sorptivity (S)

1. Bulk density, (Mg/m3) -0.82** -0.68*

2. Total porosity, (%) 0.57* 0.60*

3. Macro porosity, (%) 0.69* 0.38n.5•

4. Micro porosity, (%) -0.48* _0.15n.5•

5. Saturated hydraulic conductivity, (cmjllf) 0.98** 0.66*

6. Steady-state infiltration rate, (cm/h) 0.99** 0.68*

7. Time to attain steady-state infiltration, (min) 0.89** 0.71**

8. Three-hour cumulative infiltration, (cm) 0.99** 0.78**

* Significant at 0.05 level ** Significant at 0.01 level n.S. = not significant

transmissivity) and Kostiakov's K are influenced by similar soil physical properties. Ghosh (1985) proved mathematically that the transmissivity term in Philip's model and the Kostiakov's K, represent similar physical parameters even though their absolute values may not be identical.

Following from the above it is obvious that variations in bulk density and total porosity accounted for more than 60 % of variation in steady-state infiltration rates of this soil. Soil management practices that optimize the soil physical conditions especially those related to compaction and pore geometry will enhance the water transmission characteristics of these fragile soils.

The correlation coefficients depicted in table 5 provide further proof of this assertion where it is shown that bulk density is negatively, while macroporos­ity is positively correlated with soil water transmissivity. The very high posi­tive and significant relationship between soil water transmissivity on one hand and saturated hydraulic conductivity, steady-state infiltration rate, time to reach steady-state infiltration rate and 3-hour cumulative infiltration on the other hand shows that these soil physical properties are influenced essentially by similar factors.

3.3. Maize yield Maize yield data shown in table 6 varied among years, within seasons in the

same year and among the treatments. Within each year or season, however,

164

Table 6. Grain yield of maize (t/ha) as influenced by tillage and mulch treatments.

1982 1983 1984 Treatments l First Second First Second First Second

season season season season season season

TM 4.86 2.99 5.47 3.70 5.15 3.38

TU 4.72 2.59 4.30 2.37 4.53 2.29

UM 5.06 3.75 5.71 4.46 5.42 4.27

UV 5.02 2.63 5.00 2.42 4.98 2.63

LSD (0.05) 0.17 0.51 0.63 0.97 0.35 0.78

(1) TM = tilled-mulched; TU = tilled-unmulched; UM = untilled-mulched; UV = untilled-unmulched.

highest yields were recorded on the UM plots whereas the lowest yields occured on the TU plots. These results agree with the findings of others (UT A, 1983; Kamara, 1986). Differences in yield between the mulched and unmulch­ed plots were higher in the second than in the fust seasons within each year. For example in 1983 differences in yield between mulched and unmulched plots in the fust season were 21 % for tilled plots and 12 % for untilled plots. In the second season the respective values were 36 % and 46 % for the tilled and untilled plots. The second season in this location is drier than the first and it is during relatively dry conditions that the effect of mulch in conserving soil moisture is more evident.

Even though the lowest yield of maize occured on the TU plots which had the highest value of bulk density and lowest value of water transmissivity at Tl' it does not appear that variations in these properties alone explain the yield differences. Variations in yield due to mulch treatments were higher than those due to tillage treatments alone probably due to the favourable effects of reduction in surface soil temperature and increase in soil moisture storage capacity associated with mulches (Lal, 1975).

4. CONCLUSION

The results of this study indicate that continuous cultivation of the fragile Ultisol used for this study lead to drastic reduction in soil water sorptivity, transmissivity and saturated hydraulic conductivity as well as increased bulk density. These unfavourable modifications in physical properties can be ame-

165

liorated by adopting a 'no-till-with-mulch' land management system. This system also optimizes maize grain yield. The role of mUlches in increasing maize yields are, however, more obvious in the relatively dry than wet sea­sons.

ACKNOWLEDGEMENT

This study was partially financed by the Senate Research Orant Committee of the University of Nigeria, Nsukka, Orant No. 680/88, which is gratefully acknowledged.

REFERENCES

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168

PEDOLOGIE, XL-2, p. 169-177, 1 tab., 4 fig., Ghent 1990

SOLUBILITY OF CALCIUM CARBONATE IN THE AQUA­TIC SYSTEM OF KING TALAL RESERVOIR (JORDAN)

T.M. ABU-SHARAR

Abstract King Talal Reservoir (KTR) is substantially recharged by sewage water

produced from the Khirbit Es-Samra Treatment Plant (KTP). Therefore, KTR is characterized by intensive eutrophication and a subsequent organic carbon decomposition. The effect of these opposing biochemical reactions on the ion activity product (lAP) of calcium carbonate was evaluated in 20 samples representing each surface and bottom waters. The samples were collected over the period 13/5/1986 to 9/11/1987 and analyzed for their inorganic components. The data were then chemically speciated using the GEOCHEM program. The results showed that lAP of calcium carbonate was smaller than the solubility product of pure calcite (undersaturation) only for the surface water sampled in the rainy season. This was attributed to mixing of the surface water with fresh surface runoff rain water. However, the surface water sampled during spring and summer times was supersatura­ted with respect to calcite (lAP was as high as 124-fold the solubility product of pure calcite). The bottom water, on the other hand, was always in equilibrium or supersaturated with respect to pure calcite. The supersatura­tion of bottom water was always smaller than the respective values of surface water. This was attributed to the high oxygenation of surface water (as contrasted by poor oxygen content of bottom water) which allowed a higher rate of HC0

3 production as the end product of organic matter

decomposition. The supersaturation of both waters did not cause Ca precipi­tation as calcium carbonate.

Key-words Calcium carbonate, water chemistry.

T.M. Abu-Sharar - Assistant Professor Soil Chemistry, Dept. of Soils and Irrigation, Faculty of Agriculture, University of Jordan, Amman-Jordan.

169

1. INTRODUCTION

King Talal Reservoir (KTR) is the largest surface water body in the East Bank of Jordan. The maximum storage capacity of that reservoir is 86x106 m3•

The annual recharge of KTR originates mainly from surface runoff of rain water and sewage water effluent produced from the Kirbit-Es-Samra Treat­ment Plant (KTP). For example, during the period February 1987 to January 1988, the total recharge of KTR was 60.5x106 m3 of which about 15.1xl06 m3

(25 %) originated from KTP (The Royal Scientific Society of Jordan, 1988). The substantial recharge of KTR by the relatively nutrient-rich KTP ef­

fluent water generates eutrophication problems (Salameh, 1987). The major aspect of such a problem is the increased algal activity. This phenomenon has been characterized by a massive production of organic carbon during the shiny and warm days of spring and summer seasons and a subsequent decomposition of these materials during the relatively cold and cloudy days of autumn and winter.

Variation in the biochemical activity (photosynthesis vs. organic carbon decomposition) predominating a given aquatic system is usually accompanied with simultaneous changes in the aquatic chemistry of that ecosystem. In general, the most responsive parameters to such changes are single ion activity of bicarbonate (HC0

3-), and pH level. For example, Stumm and Morgan

(1981) indicated that photosynthetic activity associated with NH4 + assimila­

tion produces acidity, whereas N03- assimilation produces alkalinity. In addi­

tion, decomposition of organic carbon and production of HC03

may cause su­persaturation on calcium carbonate due to the increasing ion activity product (lAP) relative to the thermodynamic solubility product (KSO) of the pure calcite. This usually takes place if the rate of HCO production exceeds that of calcite precipitation (Amrhein and Suarez, 1987). èalcite supersaturation (lAP three times that of Kso) was reported by Suarez (1977) in waters sampled from below the root zone in field and lysimeter studies. Similarly, Inskeep and BIoom (1986) reported lAP values of 40-fold oversaturation with respect to pure calcite for soil solutions of Calciaquolls in western Minnesota.

Because the aquatic chemistry of KTR is characterized by the above biological activities, the objectives of this study were to : i) investigate seasonal changes in lAP of calcite in both surface and bottom waters, and ii) evaluate the solubility of calcium in both waters as influenced by the lAF of calcium carbonate.

2. MATERlALS AND METHODS

Twenty samples representing each surface and bottom waters of the KTR were coUected from the middle of the reservoir during the period 13/5/1986 to

170

9/11/1987. The samples were collected at approximately one month-intervals and, thus, representing the whole seasonal variation in the aquatic chemistry of KTR.

Once col1ected, the water samples were transferred into 1 I polyethylene bottles which, in turn, were placed in an ice chest to minimize any possible chemical and biochemical reactions during the period of transportation to the laboratory (usually within 2 h). Upon arrival, pH was measured and the samples were then ftltered using membrane filters «0.45 Ilm). A subset of the filtered samples was immediately employed in the determination of C0

3, and

HC03

using the acid neutralization method. The bulk samples were stored in a refrigerator for further analysis.

Chemical analysis of each sample was carried out according to the standard procedures described in Methods of Soil Analysis, Part 2 (Page, 1982). Cal­cium and magnesium were determined using atomic absorption spectrophoto­metry, Na and K by flame emission, Cl by AgN0

3 titration, S04 by turbidi­

me try using BaCl2

precipitation, P by ascorbic acid, N03

by copperized cadmium reduction, and N0

2 by modified Griess-Ilosvay method.

The obtained analytical data for each sample were further chemically speciated using the GEOCHEM program (Sposito and Mattigod, 1980). The surface (open to atmosphere) and bottom (closed to atmosphere) water samples were speciated at their respective pH values without allowing solid precipitation.

3. RESUL TS AND DISCUSSION

General characteristics of the KTR are provided elsewhere (Abu-Sharar et al., 1990). In brief, the water body is thermally stratified into two layers of decreasing temperature difference with the advancement of autumn and win­ter. Moreover, dissolved oxygen in the bottom water was relatively low «2mg/L) with no appreciabIe S04-reduction.

Results of chemical analysis for surface and bottom waters showed that Cl was the predominant anionic species. The average fractional concentration of Cl in surface and bottom waters (Cl concentration divided by total anion concentration) was 0.47±O.07 and 0.43 ±O.06, respectively. Bicarbonate was the second predominant anionic species with a respective fractional concentra­tion for surface and bottom waters of 0.28±O.09 and 0.38±O.06. To the contrary, S04 was less predominant and comprised on the average 0.14±O.05 and 0.10±0.07 of the total negative charges of surface and bottom waters, respectively. The predominance of Cl in the KTR water may be attributed to the enrichment of the KTP effluent water with Cl-salts. This is obvious since the predominance of chloride has always been maintained irre-

171

1

4-9

[MglaO.2oa+o.742[Cll

7 .3 era o.a77)

./ "

S ~ 2

9 2 .3 4

~ 5 ~.

0 0 2.5 /

+J +J . 1 -(J u ' . ~ 0

u.... c 4 c ~0 ~ 0 0 ~~ § :;::; :;:; 2.0 0 0 (I t? ~ '-

+J J C ~ y,0' c $>' cu cu (J u ~

c: c '>' , 0 0 1.5 1/

Ü 2 U ~ c: c 0 0 K :;::; :;:; 0 0 ü U 1.0

J 5 7 9 1 2 .3 4

4

, [N01~o.'93+0.a/

J (r=0.967) , • ,

2 /' Ne

J 5 7 9 2 J 4

Cl Concentration Factor Cl Concentration Foetc l'

Fig. 1. Lineair relationship between the concentration factors of Cl and each of Na, K, and Mg for surface (left) and bottom (right) waters sampled from KTR.

172

spective of the dilution of KTR water by surface runoff water following each rainstorm.

Seasonal variation in the concentration of Na, K, and Mg (but not Ca) was strongly associated with that of Cl. Given that Cl did not undergo any signifi­cant dissolution-precipitation reactions, the assessment of the above associa­tion can be carried out by testing the relation between the concentration factor of Cl (CF Cl = a given Cl-concentration divided by the minimum concentra­tion) and that of Na, K, or Mg. Fig. 1 shows that the CF Cl was linearly associated with these of Na, K, and Mg for both surface and bottom waters. The linear relations clearly indicate that the concentration/dilution processes for Cl were concurrent with similar processes for Na, K, and Mg. To the contrary, the CF C was poorly associated with that of Cl in both waters (values were 0.499 and ~.761 for surface and bottom waters, respectively). This indicates that the solubility of Ca in both waters was rather less affected by the physical processes of concentration and dilution of KTR water.

At equilibrium, solubility of Ca2+ is proportionally affected by the pH of the system but inversely related to the HCO - activity. These two opposing tendencies can be derived from the Kso of cafcite and the second dissociation constant (K2) of carbonic acid as shown below:

Kso = (Ca2+) (C032), and

K2

= {(H+) (C03

2) }/(HC03).

Here ( ) denotes single ion activity. Combining both equations produces the following expression :

p(Ca2+) = p{KsoIK2} + {p(H+)/(HC03-)}

Therefore, if (Ca2+), (HC03 -), and pH were in equilibrium in both waters, a

linear relation involving these components can be developed. This relation is presented in fig. 2 which shows that both waters were not in equilibrium with respect to calcium carbonate. This may be attributed to the seasonal changes in the p{ (H+)/(HC03)} which shows a gradual decline with the advancement of autumn. Such a decline may be explained by increasing the rate of HC0

3 production as a result of increasing organic matter decomposition. In addition, changes in the pH value of the surface water followed an opposite trend due to both reduction in photosynthetic activity (mostly associated with NO) assimi­lation) and the influx of surface runoff water of relatively low pH values. The bottom water was less affected by these processes and, subsequently, the high rate of HC03 production (dead algal cells settle down to the bottom water) may have inhibited the attainment of chemical equilibrium. Fig. 2 also shows that the maximum (Ca2+) in surface water corresponded to p [(H+)/(HC0

3)]

of about 5. Since the activity of Ca2+ is inversely related to the pH value, the relation between these two parameters can also be examined. Fig. 3 shows a

173

J.5 I I I J.25 I I

Bottom Woter

Surfoce Water .

""'"' + ~ 3.0- J.OO- -0 - .. " - . U ,. . ........ .-a.

2. 5 -+--,..-.--r-rI--r-r-r""TI-,.-....--r".....,I--.-"T""'"T'-,I~ 2.75 ~..---r--'--r-r-r--r-r-'--r-r-r-r-r-r-f 3 4 5 6 7 4.25 4.75 5.25 5.75 6.25

p[(H+)/(HC03-)] p[(H+)/(HC03-)1

Fig. 2. Relation between p{ (W)/(HC0

3 -)} and p(Ca2+) for the surface and bottom waters sampled

fromKTR.

3.50 I I 3.25 I

Surfoco Woter 3.25 . -

Bottom Water

""'"' +

~ C'l . .

0 3.00- . .. . - J.OO U . . ........ . . a. . . .. .

2.75-p(Co 2+)",,2.209 +0.09 'i(pH)

(r~0.656) 2.50 I I I 2.75 -y---,-r , r

7 B 9 10 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5

pH pH

Fig. 3.

Relation between pH and p(Ca2+) for the surface and bottom waters sampled from KTR.

a linear relation between pH and p(Ca2+) for the surface water only. This, in

fact, supports the above hypothesis that the activity of Ca2+ in the bottom water was more affected by organic matter decomposition and, thus, was less influenced by changes in pH value relative to the surface water.

The prevailing nonequilibrium conditions of calcium carbonate in the bottom water of KTR was characterized by values of IAP at or greater (supersaturation) than the KSO of calcite (KSO = 10-8

.475, Jacobson and Lang­muir, 1974). To the contrary, the surface water showed some lAP values smaller than the KSO' Such an undersaturation was observed only at periods

174

Table 1. Ion activity product of calcium carbonate in the surface and bottom waters of King Talal Reservoir.

Date Surface Bottom water water

13/5/1986 10-6.81 10-8.01

17/6/1986 10-6.69 10-7.38

15n/1986 10-6.76 10-7.28

19/8/1986 10-6.92 10-8.21

16/9/1986 10-7.26 10-7.67

14/10/1986 10-9.95 10-8.32

2/12/1986 10-10.05 10-8.38

29/12/1986 10-9.62 10-8.40

9/12/1987 10-9.79 10-8.17

23/3/1987 10-7.76 10-8.18

13/4/1987 10-6.62 10-8.04

4/5/1987 10-6.45 10-7.96

8/6/1987 10-6.80 10-8.88

6n/1987 10-6.38 10-7.80

27n/1987 10-6.46 10-8.57

17/8/1987 10-6.93 10-8.30

7/9/1987 10-6.70 10-7.68

28/9/1987 10-7.32 10-8.14

19/10/1987 10-8.71 10-7.99

9/11/1987 10-9.29 10-7.84

following mixing the surface water with surface runoff water (Tabie 1). This result further supports the above hypothesis that Ca2+ equilibrium in the bot­tom water was primarily affected by organic matter decomposition. However, the extreme values of calcium carbonate supersaturation were reported in the surface water. For example, the lAP for the samples obtained from the surface water on 17/6/86 and 6n/1987 was 61- and 124-fold supersaturated with re­spect to pure calcite. The corresponding supersaturation of the bottom water was only 12- and 4.7-fold the Kso' Amrhein and Suarez (1987) hypothesized the calcium carbonate supersaturation to be a result of HCO - production by the aerobic decomposition of organic matter at rates higher t~an these of cal­cium carbonate precipitation. Therefore, decomposition of organic matter in the well-aerated surface water may have caused the higher supersaturation of calcium carbonate relative to that in the bottom water. On the other hand, over-

175

5.-----~--~----~----~

5 Surface Water Bottom Water

4

2 2· (rc.O.949)

SAR .. -1.16+.3.02(C;-No) 1/2

1~~--~~~--~~--~~ '~----~---,----~----~ 1.0 1.5 2.0 2.5 .3.0 1.0 2.0

(CFNa)1/2

Fig. 4. Relation between the square root of Na-concentration factors and the corresponding SAR values for the surface and bottom waters sampled from Km.

looking the formation of organic complexes with Ca (if any) was not expected to affect the observed supersaturation. Suarez and Rhoades (1982) pointed out that organic complexes with Ca do not contribute significantly to the total soluble Ca.

Calcium carbonate supersaturation in both waters may lead to its precipita­tion from these waters. Given that the solubility of Na and Mg were not affected by the concentration of these waters in the summer time, the linear relation between the (CF

N )1/2 and sodium adsorption ratio (SAR) can be

utilized to test if Ca was marntained soluble. If the three cations were concen­trated, but not precipitated, by a given CF, then the final SAR (SARt) win be linearly correlated with the initial SAR (SAR.) according to the relatlon :

1

SARf = (CF)I/2SARi

Fig. 4 shows that the SARf was linearly correlated with the (CFNa

)l/2. Conse­quently, Ca-solubility was not affected by the supersaturation of calcium carbonate in surface and bottom waters.

It can be concluded that only for the surface water sampled in the rainy season undersaturation of calcium carbonate was observed. Supersaturation was found in spring and summer time and in the bottom water samples.

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177

178

PEDOLOGIE, XL-2, p. 179-194,4 tab., 5 fig., Gand 1990

EFFET DE LA SUCCESSION DE DIFFERENTES AFFEC­TATIONS SUR LES PROPRIETES CHIMIQUES DE PE­DONS EN FAGNE DE CHIMAY (BELGIQUE)

Résumé

P. Goovaerts R. Frankart G. Gérard

Cette étude tente d'évaluer l'impact de trois chronobioséquences (Bois­Bois (BB), Bois-Prairie (BP), Bois-Culture-Bois (BCB» sur les propriétés chimiques de deux sols de la Fagne de Chimay (Belgique). La comparaison des séquences BB et BCB montre que 3/4 de siècle de peuplements fores­tiers n'ont pas suffi à effacer, en surface, toute trace de quelques décennies de pratiques culturales (moindre pourcentage en carbone organique, plus grandes teneurs en K++ et Mg ++, acidité moins importante). La séquence BP est caractérisée par une plus grande richesse minérale des horizons de surface, liée à l'application de fumures minérales ou organiques.

Les différences entre ces séquences ont tendance à s'atténuer en profon­deur ou deviennent moins apparents les effets de la couverture végétale et de l'action anthropique.

Mots-clés Chronobioséquences, propriétés chimiques.

P. Goovaerts - Aspirant F.N.R.S., Unité BlOM, Département des Sciences du Milieu et de I'Aménagement du territoire, Université Catholique de Louvain, Place Croix du Sud, 2, B-1348 Louvain-Ia-Neuve, Belgique. R. Frankart - Professeur ordinaire, Unité des Sciences du Sol, Université Catholique de Lou­vain, Place Croix du Sud, 2, B-1348 Louvain-Ia-Neuve, Belgique. G. Gérard - Professeur ordinaire, Unité BlOM, Département des Sciences du Milieu et de I'Aménagement du territoire, Université Catholique de Louvain, Place Croix du Sud, 2, B-1348 Louvain-Ia-Neuve, Belgique.

179

1. INTRODUCTION

L'analyse des documents cartographiques (topographiques, planimétriques, d'occupation des sols ... ) met en évidence la succession d'affectations qu'ont connue, pour des raisons politiques ou économiques, de multiples régions. La Fagne de Chimay a subi, ces deux derniers siècles, de nombreux bouleverse­ments dans l'occupation de ses terres (Tulippe, 1939) : défrichements du XIXème siècle, reboisement et conversion de cultures en prairies du début de ce siècle.

L'objectif de cette étude est de définir l'impact de la succes sion de ces différentes affectations (prairies, bois, cultures) sur quelques propriétés chimi­ques de deux sols de la Fagne.

2. MATERIEL ET METHODES

2.1. Sites étudiés Les parcelles étudiées, d'une superficie moyenne d'un hectare, sont loeali­

sées dans la partie occidentale de la Fagne de Chimay (sud de la province du Hainaut, Belgique); elles furent éehantillonnées en septembre 1986. Les par­celles, choisies pour leur homogénéité pédologique et topographique, ont été cartographiées en application de la légende de la earte pédologique de Belgi­que sous les symboles des séries Gbbf et Edx (Remy, 1981).

La série Gbbf désigne des sols limoneux à charge schisteuse et à horizon B structural. La charge eroît en profondeur pour atteindre ou dépasser 40 à 50 % dès 50 centimètres. Une analyse minéralogique élémentaire de la fraction argileuse (>40 % de la terre fine) a mis en évidence l'existence de l'association illite, kaolinite, vermiculite, chlorite et interstratifiés divers, avee des variantes quant à la représentation relative des espèees minéralogiques. L'illite est eependant toujours l'espèee dominante et la lépidoerosite est présente dans tous les éehantillons.

La série Edx regroupe des sols argileux modérément gleyifiés à développe­ment de profil non défini. Ce dernier se caractérise par la présence d'une argile d'altération de schiste très lourde, très panaehée et assez imperméable qui peut débuter vers 20 ou 40 centimètres de profondeur (Remy, 1981). La composi­tion minéralogique de la fraction argileuse (40-45 % de la terre fine) s'identifie largement à celle du Gbbf sauf dans les horizons à hydromorphie, argileux lourds (> 50 % d'argile) ou les chlorites ne sont présentes que sous fonne de traces. Selon Ie Soil Survey Staff (1975), la série Gbbf serait un Typie Dystrochrept, fine (skeletal), mixed, mesie (frigid) tandis que la série Edx s'identifierait notamment soit à un Aquie Dystroehept, soit à un (Vertie) Haplaquept, fine (skeletal), mixed, mesie (frigid).

180

Tableau 1. Séquences historiques étudiées. Les parcelles boisées sont des chênaies ou des chênaies charmées. Pour la séquence BCB, les procès verbaux d'aménagement des bois soumis au régime forestier et la tradition orale situent Ie reboisement des parcelles échantillonnées vers Ie début de ce siècle.

Dénomination Affectations (Duquesne et Devillez, 1986)

1775 1854 1898 1986

BB bois bois bois bois BCB bois bois culture bois BP bois bois prairie prairie

L'historique des parcelles fut retracé à l'aide des cartes d'occupation des sols établies par Duquesne et Devillez (1986) pour les années 1775, 1854, 1898 et 1982. L'information fut complétée par la carte topographique et d'occupation des sols de l'IGN (1967), la carte pédologique au 1/5.000 dressée par Remy (1975) et une enquête personnelle quant à l'occupation récente des parcelles échantillonnées. Deux séquences historiques (BB et BP) ont été principale­ment étudiées. La séquence Bois-Bois (BB) correspond aux parcelles ayant toujours été sous couvert forestier et constitue notre terme de référence. La séquence Bois-Prairie (BP) regroupe les prairies issues du défrichement surve­nu dans la seconde moitié du XIXème siècle. Sur les sols limoneux à charge schisteuse (Gbbf), on s'intéressa également à la séquence Bois-Culture-Bois (BCB) caractérisée par Ie reboisement, au début de ce siècle, des parcelles défrichées et mises en culture quelques décennies auparavant. Les séquences BB et BCB sont, de par leur affectation actuelle identique, les plus intéressan­tes à comparer maïs également les plus délicates à discriminer. C'est pourquoi, les parcelles échantillonnées sont associées géographiquement (observations pairées) de manière à homogénéiser autant que possible les propriétés initiales des sites. Sur les sols argileux à développement de profil non défini (Edx), l'existence d'une seule parcelle de type BCB a exclu la réalisation d'une telle étude.

Les trois séquences historiques retenues (tableau 1) frrent l'objet de quel­ques hypothèses : - maintien des affectations entre ces quatre dates (fait confirmé pour les

dernières décennies par les cartes de 1967, 1975 et 1982). - simultanéité des changements d'affectation des diverses parcelles échantil­

lonnées, - identité des techniques mises en oeuvre pour les différents types d'utilisation.

181

2.2. Dispositifs d'échantillonnage L'étude des trois séquences historiques (BB, BCB, BP) SUf deux types de

sol (séries Gbbf et Edx) définit six "classes". Pour chaque classe, quatre parcelles furent échantillonnées, à l'exception de la séquence BCB sur Edx ou on ne put trouver qu'une seule parcelle sous peuplement feuillu.

Sur chaque parcelle, après décapage des horizons holorganiques, les dix premiers centimètres de l'horizon minéral ont été prélevés en 25 endroits répartis selon un quadrillage régulier de 20 mètres de maille (fig. 1). Après rejet d'un des 13 prélèvements impairs, choisi de manière aléatoire, deux échantillons composites (pair et impair) de 12 prises ont été formés.

Sur une parcelle de chaque classe, 25 prélèvements ont été effectués entre 40 et 60 centimètres (dispositif analogue à celui utilisé pour les horizons de surface) et 5 prélèvements, choisis parmi les 25 points d'échantillonnage, à une profondeur supérieure à 90 centimètres (formation d'un composite). La pré­sence d'une importante charge schisteuse empêcha l'échantillonnage, à plus de 60 centimètres de profondeur, de quelques parcelles localisés sur Gbbf.

Le prélèvement de deux échantillons composites "pair" et "impair" a été effectué dans Ie cadre de l'analyse de la variabilité spatiale des propriétés du sol (Goovaerts et al., 1989). Dans cette étude, on s'intéressera uniquement aux moyennes arithmétiques de ces deux échantillons.

1 10 11 20 21

2 9 12 19 22

3 8 13 18 23

4 7 14 17 24

5 6 15 16 25

Fig. 1. Dispositif d'échantillonnage des horizons de surface (parceIJe carrée d'une superficie d'un hectare).

182

2.3. Méthodes analytiques Les composites ont été séchés à l'air, passés au tamis de 2 mm et analysés.

Les mesures de pH(H20), pH(KCI) et conductivité électrique sont effectuées sur une suspension de terre fine (rapport 1/2.5). Les cations échangeables sont dosés par spectrophotométrie d'absorption atomique après extraction à l'acéta­te d'ammonium IN pH 7. La CEC est déterminée après une première percola­tion à l'acétate d'ammonium IN pH 7, suivie d'un lavage à l'alcool dénaturé et une deuxième percolation au KCL IN pH 3 (Schollenberger et Simon, 1945). La teneur en carbone oxydable est obtenue par la méthode de Walkley et Black (1934). L'acidité d'échange est mesurée par titration après extraction au KCL IN. L'ajout de NaF à la solution titrée provoque la transformation de l'Al+++ en un complexe stabie avec production de NaOH dont la titration nous indique la quantité d'aluminium échangeable (Mc Lean, 1965).

2.4. Analyses statistiques Les analyses statistiques (analyse de la variance, analyse discriminante) ont

été réalisées à l'aide du logiciel SAS (SAS Institute, 1985). Des renseigne­ments concernant les méthodes d'analyse de la variance et les procédures SAS utilisées sont repris dans l'ouvrage de Dunn et Clark (1987). De même, Webster (1977) fournit quelques exemples d'application de l'analyse multiva­riée à l'étude des pédons.

3. RESULTATS ET DISCUSSION

3.1. Etude des horizons de surface 3.1.1. Présentation des résultats

Le tableau 2 reprend la valeur moyenne des propriétés de chaque cIasse. Pour l'ECEC (capacité d'échange cationique effective), on appliquera la défi­nition du Soil Survey Staff (1975) : ECEC = somme des cations échangeables et de l'aluminium extractible au KCIIN. Pour rappel, Ie taux de saturation (V) est égal au rapport de la somme des cations échangeables à la CEC, multiplié par cent et Ie taux de saturation effectif (Veft) est égal au rapport de la somme des cations échangeables à l'ECEC, multiplié par cent. Les prairies localisées sur Edx ne présentent pas d'acidité d'échange et trois propriétés (acidité d'échange, teneur en AI+++ et rapport AI+++ /ECEC) seront dès lors absentes de toute analyse de la variance. La séquence BCB localisée SUf Edx ne comportant qu'une seule parcelle, cette cIasse ne fera évidemment pas l'objet d'analyses statistiques.

183

Tableau 2. Valeurs moyennes de chaque propriété pour les six classes étudiées

propriétés mesurées série Gbbf série Edx

BB BCB BP BB BCB BP

pH(H20) (unités pH) 4.73 4.89 5.60 4.37 4.83 6.03 pH(KCl) (unités pH) 3.71 3.82 4.74 3.53 3.67 5.26 conductivité (JlS/cm) 80 80 181 74 76 219 Na + (méq/100g) 0.06 0.07 0.14 0.04 0.04 0.15 K+ (méq/lOOg) 0.50 0.59 0.54 0.37 0.41 0.83 Ca ++ (méq/100g) 3.26 4.16 10.46 0.97 4.08 11.29 Mg++ (méq/100g) 0.57 0.86 0.95 0.28 0.80 1.59 C.E.C. (méq/100g) 18.2 16.4 18.9 16.0 14.3 18.0 Corg (% sol) 4.71 3.81 5.59 3.89 3.22 5.14 acidité (méq/100g) 3.92 2.57 0.26 5.29 2.72 0.00 d'échange Al+++ (méq/100g) 3.35 2.13 0.11 4.75 2.30 0.00 E.C.E.C. (méq/100g) 7.74 7.81 12.20 6.41 7.63 13.86 AlIE.C.E.C. (%) 43 27 1 74 30 0 V (%) 24 35 64 10 37 77 Veff (%) 57 73 99 26 70 100

3.1.2. Analyses univariées 3.1.2.1. Etude des séquences BB et BP sur Gbbf et Edx

L'effet séparé des facteurs "type de sol" et "historique" , ainsi que leur interaction, ont été étudiés par une analyse de la variance à deux critères croisés (modèle fixe) dont les résultats sont repris au tableau 3. Dans Ie cas du modèle fixe, Ie premier test à effectuer est cel ui portant sur l'interaction. Celle­ei est significative pour la moitié des propriétés mesurées. En effet, Ie meilleur entretien des prairies localisées sur Edx (teneurs en Mg ++ et saturation plus importantes, absence d'acidité d'échange) ainsi que la plus grande acidité des bois situés sur Edx font en sorte que, pour ces propriétés, les différences entre prairies et parcelles boisées sont plus nettes sur Edx que sur Gbbf. On remar­que que les deux séquences historiques diffèrent de manière significative pour 1 'ensemble des propriétés, à l'exception des teneurs en K+ et de la CEC. Par contre, l'effet "type de sol" nIest significatif que pour Ie pourcentage en carbone organique; quelle que soit la séquence étudiée, la série Edx est caractérisée par un moindre pourcentage en carbone organique.

184

Tableau 3. Résultats de l'analyse de la varianee à deux critères croisés : séquence histori­que (BB, BP) et type de sol (Gbbf, Edx) (* = différences significatives a = 0.05, ** = différences hautement significatives a = 0.01).

Propriétés mesurées Carrés moyens des effets

historique type de sol interaction résiduel

pH(H20) (unités pH) 6.41 ** 0.00526 0.620 ** 0.0493 pH(KCl) (unités pH) 7.62 ** 0.116 0.483 ** 0.0451 conductivité 60577 ** 1016 1838 2179 (JlS/cm) Na + (méq/100g) 0.0358 ** 0.0000137 0.000469 0.000276 K+ (méq/100g) 0.243 0.0245 0.182 0.0574 Ca ++ (méq/100g) 307 ** 2.11 9.75 3.16 Mg ++ (méq/l OOg) 2.84 ** 0.121 0.854 ** 0.0758 C.E.C. (méq/100g) 7.60 9.94 1.78 2.607 Corg (% sol) 4.49 ** 1.61 ** 0.141 0.116 E.C.E.C. 141 ** 0.0118 8.92 2.86 (méq/lOOg) V(%) 11345 ** 0.00530 715 * 83.2 Veff (%) 14222 ** 761 878 * 156

3.1.2.2. Etude des séquences BB et BCB sur Gbbf L'hypothèse d'égalité des moyennes des séquences BB et BCB a été testée

par la statistique t. Le tableau 4 renseigne pour chaque propriété : - l'écart moyen entre les valeurs de la propriété pour les séquences BB et BCB

ainsi que Ie niveau de signification de t, - l'estimation de l'erreur standard de eet écart. Le signe de eet écart indique que la séquence BCB est caractérisée par des valeurs de pH plus é1evées, une plus grande teneur en cations échangeables ainsi qu'un taux de saturation plus important, un moindre pourcentage en carbone organique, une acidité d'échange et une CEC plus petite. Les deux séquences difrerent de manière significative pour Ie pourcentage en carbone organique, les teneurs en K+ et Mg ++. L'ancienne mise en culture des BCB a conduit à une minéralisation de la matière organique et une chute du pourcen­tage en carbone organique encore perceptible après 3/4 de siècle de peuple­ments forestiers (3.8 < 4.7 %). Cette diminution du contenu en matière or­ganique suite à une mise en culture a été observée par d'autres auteurs (Tiessen et al., 1982; De Kimpe et Laverdière, 1988) et sera confirmée par l'étude de la

185

Tableau 4. Résultats de l'étude comparée des séquences BB et BCB localisées SUf Gbbf (* = différences significatives a = 0.05, ** = différences hautement significatives a = 0.01)

propriétés écart erreur std moyen de l'écart

pH(H20) (unités pH) -0.24 0.12 pH(KCl) (unités pH) -0.14 0.05 conductivité (IlS/cm) 2.33 9.60 Na+ (méq/lOOg) -0.02 0.01 K+ (méq/100g) -0.12 * 0.01 Ca ++ (méq/l OOg) -0.87 0.87 Mg ++ (méq/lOOg) -0.34 * 0.06 C.E.C. (méq/lOOg) 1.80 0.64 Corg (% sol) 1.12 * 0.26 acidité d'échange (méq/lOOg) 1.75 0.53 AI+++ (méq/lOOg) 1.53 0.43 E.C.E.C. (méq/l00g) 0.18 0.51 AllE.C.E.C. (%) 22 10 V (%) -11 4 Veff (%) -22 10

séquence Bois-Culture (BC) dans Ie paragraphe 3.2. Les plus grandes teneurs en K+ et Mg ++ observées sous BCB sont à mettre en relation avec la fumure d'origine animale et/ou minérale appliquée pendant la période culturale.

3.1.3. Analyse multivariée Une meilleure discrimination des classes peut être obtenue par l'étude

simultanée de plusieurs propriétés. Cependant, les variables mesurées sont interdépendantes et l'existence de corrélations élevées suggère que certaines d'entre elles ne sont pas indispensables à la différenciation des classes. Etant donné Ie grand nombre de variables par rapport au peu de données disponibles, on a procédé à une analyse discriminante avec sélection de variables (procédu­re stepdisc de SAS). Les propriétés retenues, qui contribuent Ie plus à la "sépa­rabilité" des classes (séquences BB et BP localisées sur Gbbf et Edx), sont : pH(KCI), pourcentage en carbone organique, teneurs en Mg ++. Cette analyse a permis de dégager la structure existant entre les différentes classes. Des combinaisons linéaires (variables canoniques) des trois propriétés retenues ont été recherchées de manière à représenter, dans un plan, les quatre classes étu-

186

8

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-8 -8 -4 0 4 8

variabie canonique 1

Fig. 2. Dispersion des 21 parcelles dans Ie plan défini par les deux premières variables canoniques. Pour chaque classe, les circonférences délimitent la région dans laquelle doit théoriquement se retrouver 90 % des parcelles. La circonférence discontinue caractérise la classe BCB dont les parcelles ont été projetées dans ce plan. Les trois séquences historiques sont BB (carrés), BCB

(triangles) et BP (cercles). Les symboles pleins distinguent les parcelles localisées SUf Edx.

diées, tout en préservant au maximum la variabilité inter-classes existant dans R3

•

Les seize parcelles sont représentées, à la fig. 2, dans Ie plan défini par les deux premières variables canoniques reprenant 99 % de la variabilité inter­classes. Les cinq parcelles caractérisées par une historique de type BCB ont également été projetées dans ce plan. L'interprétation des variables canoniques est facilitée par Ie tracé du diagramme (fig. 3) des corrélations inter-classes entre les trois propriétés étudiées et les deux premières variables canoniques.

La position des différents classes (fig. 2) dépend des valeurs moyennes de chacune des propriétés pour lesquelles on a la gradation suivante (les séquen­ces sur Edx sont représentées par des minuscules)

pHKCl Mg++

Corg

bp > BP > BCB > bcb > BB > bb bp > BP > BCB > bcb > BB > bb BP > bp > BB > bb > BCB > bcb

L'opposition existant entre les parcelles boisées et les prairies pour la propriété pH(KCl) contribuant Ie plus à la première variabIe canonique, explique la scission apparaissant suivant l'axe horizontal. Le pH(KCl) est caractérisé par l'absence d'effet "type de sol" et la position intermédiaire des BCB. La nette distinction entte bp et BP provient de la combinaison, pour les prairies locali-

187

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Fig. 3.

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carbone organ ique

pH- KCI

Mg

- 1 .0 L,-----,-----t-------,-------,

- 1 .0 - 0.5 0.0 0.5 1 .0

variab ie c anonique 1

Diagramme des corrélations inter-classes entre les trois propriétés étudiées et les deux premières variables canoniques.

sées sur Edx, de valeurs élevées de pH(KCl) et de teneurs importantes en Mg ++, dues à l'action anthropique, avec un moindre pourcentage de carbone organique (effet type de sol). La plus grande acidité des bb conduit, suivant l'axe horizontal, à une séparation des parcelles boisées en fonction du type de sol sur lequel elles sont situées. L'action combinée d'un moindre pourcentage de carbone organique et de teneurs plus importantes en Mg ++ des BCB contribue à la séparabilité des classes BB et BCB.

3.2. Etude de I'évolution des propriétés dans Ie pédon L'interpolation linéaire des mesures effectuées aux profondeurs A (0-10

cm), B (40-60 cm) et C (>90 cm) sur une parcelle de chaque classe fournit, pour les deux séries pédologiques, des "profils d'évolution" caractéristiques de chaque séquence historique.

A la fig. 4 est représentée l'évolution de quelques propriétés pour trois séquences (BB, BCB, BP) localisées sur Edx. Sous BB, les faibles valeurs de pH(H20) (4.3) des horizons de surface sont associées à une acidité d'échange élevée (5.6 méq/100g), principalement due à l'ion AI+++ (Al+++ /ECEC =

80%). Sous prairie (séquence BP), l'absence d'acidité d'échange induite par les pratiques culturales (amendements basiques) explique les valeurs élevées de pH(H20) observées (pH(H20) : 6). La parcelle BCB se caractérise par des va­leurs intermédiaires (pH(H20) : 4.8, acidité d'échange : 2.7 méq/100g, Al+++/ ECEC : 30%). Les différences entre séquences s'amenuisent très rapidement en profondeur. En surface, la CEC montre une gradation analogue à celle rencontrée pour Ie pourcentage de carbone organique : BP > BB > BCB. La

188

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75

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moindre teneur en carbone organique des parceUes boisées peut s'expliquer par Ie fait qu'on s'est limité au prélèvement des dix premiers centimètres de l'horizon minéral, c.à.d. après enlèvement de la litière (horizons holorgani­ques). Les pourcentages les moins élevés se retrouvent sur la parce1le BCB ou sont toujours apparents les effets de la minéralisation survenue lors du précé­dent cultural. On remarque l'homogénéité et la con stance des valeurs de CEC et de carbone organique dès 50 centimètres de profondeur.

La prairie (séquence BP) est caractérisée, en surface, par des teneurs élevées en K+ (déjections animales), Ca ++ et Mg ++ (fumures minérales); la parceUe BCB présente des valeurs intermédiaires. Pour les séquences BP et BCB, Ie cation dominant en surface est Ie Ca ++ (80% de la gamiture cationi­que); ce pourcentage diminue en profondeur (80% ---> 65% ---> 50%) et coïncide avec un enrichissement en Mg ++ queUe que soit la séquence histori­que. Dans les parceUes BB, Ie Ca ++ représente, dans tout Ie profil, 50% de la gamiture cationique.

Sous BB, Ie tau x de saturation augmente de manière importante en profon­deur (10% ---> 35% ---> 65%); la CEC restant constante dans Ie pédon, cette augmentation est due à l'enrichissement en Ca ++ (0.7 ---> 2.3 ---> 4.6 méq/ lOOg) et Mg ++ (0.2 ---> 2.5 ---> 4.4 méq/lOOg). Sous prairie, la diminution du tau x de saturation des profondeurs A à B (70% ---> 40%) montre que la chute des teneurs en cations échangeables est comparativement plus grande que celle observée pour la CEC. L'évolution du taux de saturation sur BCB suggère que l'ancienne mise en culture de cette parcelle a conduit à une resaturation du profil qui, 70 ans après Ie reboisement, est caractérisé, en surface, par un taux de saturation (37%) intermédiaire entre celui des BB (10%) et BP (70%).

La fig. 5 reprend les profils d'évolution des mêmes propriétés pour quatre séquences (BP, BB, BCB, BC) localisées sur Gbbf. La séquence BC (Bois­Culture) correspond à une parcelle sous forêt en 1771 et 1854 avant d'être défrichée et mise en culture (1986 : culture de céréales). La culture (séquence BC) met en évidence une diminution du pH(H20) (5.5 ---> 5.2 ---> 4.95) qui atteint, vers 90 centimètres de profondeur, des valeurs semblables à ceUes des BCB. On assiste, queUe que soit la séquence historique, à une augmentation de l'acidité d'échange (principalement due à l'ion AI+++) en profondeur. La gradation BB > BCB > BC=BP est bien trad uite en surface, l'aluminium représentant respectivement 48%, 29% et 5% de l'ECEC; ces différences ont tendance à s'atténuer en profondeur. La CEC et Ie pourcentage de carbone or­ganique montrent, en surface, une gradation analogue : BP > BB> BCB > BC; les valeurs les plus faibles sont observées dans les parcelles actuellement sous culture (BC) ou ayant subi une ancienne mise en culture (BCB). Les apports en matière organique étant localisés en surface, la teneur en carbone décroît très nettement en profondeur.

Les teneurs les plus élevées en Ca ++ (7 -9 méq/l00g) se rencontrent dans les

190

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horizons de surface des prairies et cultures (chaulage); ces valeurs diminuent en profondeur (7 ---> 4.2 ---> 3 méq/100g). Les parcelles boisées sont caracté­risées par de plus petites teneurs en Ca ++ (1.8-3.5 méq/100g) qui demeurent constantes dans Ie pédon. L'absence de déjections animales sur la parcelle BP (prairie de fauche) peut expliquer les faibles teneurs en K+ observées, plus proches des bois que des cultures. Comme sur Edx, les différences entre séquences s'atténuent en profondeur. Quelle que soit la séquence, Ie Ca ++ est, en surface, Ie cation dominant (70-80% de la gamiture cationi~ue). Ce pour­centage diminue en profondeur suite à l'enrichissement en Mg + .

L'évolution du tau x de saturation dans Ie f,rofil est, comme sur Edx, similaire à celle observée pour les teneurs en Ca +.

4. CONCLUSIONS

L'étude des horizons de surface met, fort normalement, en évidence la plus grande richesse minérale des prairies par rapport aux parcelles boisées. L'ap­port d'amendements organiques ou minéraux a, en un siècle, effacé toute trace du précédent forestier de la séquence BP. La comparaison des séquences BB et BCB, localisées sur Gbbf, montre qu'après 3/4 de siècle de peuplements forestiers, les effets de quelques décennies de pratiques culturales sont encore apparents en surface; les différences observées (moindre pourcentage en car­bone organique, plus grandes teneurs en K+ et Mg ++, acidité moins importan­te) étant explicables en terme d'action anthropique.

L'effet du type de sol semble être, en surface, masqué par les caractéristi­ques propres à l'affectation actuelle. On observe cependant les plus grands pourcentages en carbone organique dans les prairies et bois localisés sur Gbbf.

L'influence de l'action anthropique et de la couverture végétale s'estompant, on assiste en profondeur, pour la majorité des propriétés étudiées, à une homogénéisation des valeurs qui deviennent spécifiques à l'unité pédolo­gique.

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193

Effect ofsuccessive land uses on soil chemical properties in the "Fagne de Chimay" (Belgium)

Summary Effects of three chronobiosequences (forest-forest (BB), forest-meadow

(BP), forest-culture-forest (BCB» on soil chemical properties were studied on two soils in the "Fagne de Chimay" (Belgium). Af ter 70 to 80 years of forest stand, the sequence BCB still exhibits, in surface layer, some traces of pre­vious decades of fanning ~ractices i.e. lower organic carbon content, higher levels of exchangeable K and Mg ++, lower acidity. The surface layer of sequence BP has higher fertility status, due to application of mineral or organic fertilizers.

Differences between chronobiosequences become less obvious in deeper horizons, where effects of vegetal cover and human management are less detectible.

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PEDOLOGIE, XL-2, pp. 195-213,6 tab., Gand, 1990

CONCEPTION D'UN VOCABULAIRE POUR LA DES­CRIPTION DU MILIEU NATUREL ET DES SOLS

lP. LEGROS S. NORTCLIFF

Resumé La construction d'une banque de données relative au milieu naturel et aux

sols suppose, avant d'envisager Ie stockage informatique, la mise au point d'un vocabulaire adapté à la description des situations observées. lei on examine successivement les méthodes de controle de la qualité d'une systè­me descripteur déjà opérationnel, puis la méthode de construction d'un tel système descripteur. Enfin, on passe en revue quelques difficultés, vraies ou supposées, que l'utilisateur rencontre dans l'établissement, l'utilisation et la modemisation d'une banque de données intéressant Ie milieu naturel.

Mots clés Banque données, terminologie, sol, vocabulaire.

J.P. Legros - Dr. Sc. , INRA, Science du Sol, Place Viala, Montpellier, France. S. Nortcliff - Dr. Sc., Université de Reading, Angleterre.

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1. INTRODUCTION

Partout dans Ie monde des banques de données se créent liées au développement explosif de l'informatique et aux besoins croissants relatifs à la manipulation de grandes quantités d'informations. L'Environnement et les disciplines qui s'y rattachent n'échappent pas à cette évolution. Rappelons que la mise au point d'une banque de données comprend schématiquement quatre étapes, si on met l'accent sur Ie problème central, c'est-à-dire SUf celui du recueil et du stockage d'un certain type d'informations.

- D'abord il faut concevoir Ie système descripteur, c'est-à-dire qu'il faut définir Ie type, Ie volume et la structure logique de l'information qui va être manipulée. Cette première étape comprend en fait deux volets. D'abord, Ie choix du vocabulaire qui va être utilisé ou, si on préfère, Ie choix des variables (au sens mathématique). Les variables, affectées d'une certaine valeur, représentent des données. Le second volet est représenté par la structuration des variables en blocs logiques, en fonction des besoins. Par exemple on décidera de regrouper d'une part tout ce qui conceme la description du milieu naturel au champ et d'autre part tout ce qui relève de la caractérisation analytique au laboratoire. Le travail de structuration est beaucoup plus complexe qu'il n'y paraît à première vue ...

- La deuxième grande étape du travail est la rédaction de notices. Celles-ci ont pour fonction de mettre en correspondance les vocables, les définitions qui s'y rattachent, les systèmes de codification informatique et les protocoles d'utilisation pratique des différents concepts. La notice est donc à la fois un dictionnaire explicatif, un dictionnaire de traduction et un mode d'emploi.

- La troisième étape de constitution d'une banque de données est la construction du système informatique, appelé à l'heure actuelle système d'information. A ce niveau Ie problème central est la mise au point du modèle de données qui va traduire et adapter pour l'ordinateur la structure logique évoquée plus haut.

- Enfin, il faut matérialiser Ie système descripteur par des fiches sur papier ou par des écrans apparaissant sur des micro-ordinateurs portatifs afin de permettre la saisie des données sur le terrain ou au laboratoire.

Dans cet article nous nous intéresserons seulement au premier volet de la première étape, c'est-à-dire à la construction du vocabulaire. C'est Ie point de départ de la démarche et donc quelque chose de tout à fait essentiel.

Dans ce domaine la communauté pédologique dispose d'une expérience déjà longue et nombreux sont les vocabulaires de description des sols bätis en vue de traitements informatiques plus ou moins développés. On pourrait citer les travaux américains (USDA, 1951), ceux de la FAO (1968) ou bien belges (DELECOUR et KINDERMANS, 1977), canadiens (CANSIS, 1978), polonais (TRUSZKOWSKA, 1980), allemands (BENZLER et al., 1982) aus-

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traliens (Mc DONALD et al., 1984) etc, etc ... En France, par exemple, différents tentatives ont eu lieu jusqu'à ce que Ie

système STIPA s'impose au niveau national (BERTRAND et al., 1984 -BONNERIC et al., 1986). Rappelons que Ie vocabulaire STIP A a été développé par des pédologues-cartographes appartenant à la plupart des pays francophones, réunis sous l'impulsion de I'Agence de Coopération Culturelle et Technique (ACCT). L'INRA (Institut National de la Recherche Agronomique) et I'IRAT (Institut de Recherches Agronomiques Tropicales ont assuré la coordination des travaux.

Au Royaume Uni, les services en charge de l'étude des sols (Soil Survey of England and Wales/Scotland) ont utilisé une terminologie assez semblable à celle de STIPA (HODGSON, 1976).

En plus, depuis 2 ans environ un effort est fait au plan international pour harmoniser les terminologies et les méthodes d'analyses relatives au sol. C'est Ie pro gramme "Soil Quality" de I'ISO (International Standard Organization). Dans ce cadre les auteurs du présent article participent aux travaux ayant pour objet la mise au point d'un vocabulaire international bilingue, Français­Anglais (AFNOR-ISO, 1990) pour la description des sols. Mais ce vocabulaire et les définitions qui l'accompagnent ne sont que la traduction d'un certain nombre de concepts de base qui vont être présentés ici.

Dans une première partie, on indiquera quelles sont les méthodes de controle d'un vocabulaire existant. Dans une seconde partie, nous présenterons la méthode de construction que nous avons élaborée. Dans une troisième partie, on évoquera quelques faux problèmes qui méritent attention parce qu'ils apparaissent souvent dans les questions posées aux spécialistes.

2. METHODES DE CONTROLE ET D'AMELIORATION D'UN VOCABULAIRE

Avant d'envisager la mise au point d'un vocabulaire, il est utile de montrer quelle démarche on suit et quelles informations on exploite pour assurer la qualité du travail. Signaions tout de suite, pour n'y plus revenir, que les systèmes descripteurs doivent être enrichis au fur et à mesure que progressent les connaissances s'appuyant sur des observations. Par exemple les travaux réalisés depuis une dizaine d'années sur la rhizosphère doivent nous conduire à observer, au moins à la loupe, la zone de contact entre les racines et la matrice qui les entoure. Les cartographes de terrain ne s'intéressaient guère à cela antérieurement.

Mais pour l'essentielles progrès dans les méthodes d'observation du milieu sont liés à ce que nous appelons les effets de feed-back. Nous en verrons plus loin différents exemples. En clair, la meilleure façon de tester la valeur d'un

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vocabulaire est de vérifier qu'il remplit bien les fonctions pour lesquelles il a été créé. C'est pourquoi les expériences déjà réalisées dans différents pays sont précieuses. On ne pourrait pas prétendre standanliser au plan international un langage convenabie sans ces essais antérieurs, réussis ou non.

Concrètement la qualité d'un vocabulaire se teste à la fois au plan technique et au plan scientifique. Au plan technique, il faut vérifier à tous les niveaux Ie caractère plus ou moins opérationnel du système : facilité avec laquelle il est possible d'acquérir les données, de les enregistrer sur ordinateur, de les manipuler et de les exploiter. Au plan scientifique, il faut vérifier la qualité des informations et détecter les différentes causes susceptibles d'altérer leur fiabilité. Mais Ie système descripteur est un instrument mis au service de personnes n'ayant, pour faire des observations, que Ie secours de leur vision, de leur toucher et éventuellement de leur odorat et de leur goût. C'est donc bien Ie couple système descripteur-observateur qui est en cause. En cas de dysfonctionnement, il n'est pas toujours facile d'établir clairement les responsabilités. Nous tenterons cependant de Ie faire, lorsque c'est possible.

Trois méthodes principales sont utilisables pour améliorer les vocabulaires et systèmes descripteurs. Elles vont être passées en revue. 11 s'agit du test comparatif, du controle à posteriori, du controle de cohérence.

2.1. Le test comparatif Par test comparatif on entend l'expérience qui con siste à demander à

plusieurs individus de décrire Ie même sol ou Ie même milieu naturel au moyen du même système descripteur. L'opération a été conduite à Montpellier ou 18 personnes ont décrit successivement Ie même sol brun du domaine de La Valette (LEGROS et ARGELES, 1973). Prenons, à titre d'illustration, deux des résultats partiels donnant l'opinion des observateurs pour l'horizon B de ce sol (tab. 1).

Nous avons constaté que les réponses les plus éloignées de la réponse moyenne ou modale ne sont pas Ie fait d'observateurs moins expérimentés. Par ailleurs nous avons observé que les réponses très hétérogènes (voir Ie cas de la taille des racines) se produisent lorsque Ie glossaire ne fournit pas d'éléments précis d'appréciation. Ainsi, dans l'expérience de description, les observateurs ne disposaient pas de chiffres permettant de préciser les adjectifs "grosses, moyennes, fines" caractérisant les racines.

La dispersion des réponses est exacerbée lorsque l'observation est difficile. 11 est évidemment plus facile de constater l'absence de cailloux, que de choisir entre "cailloux nombreux" et "cailloux très nombreux" Iorsque Ie cas se pose!

En définitive, nous croyons que la mauvaise qualité des observations est presque toujours liée davantage à la mauvaise qualité des vocabulaires et des notices qu'à des défauts directement imputables aux observateurs.

Une amélioration de la caractérisation du milieu naturel passe par la mise

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Tableau 1. Opinion des observateurs

Largeur des pores Très fins : 1 réponse Fins: 3 réponses Moyens : 8 réponses Larges : 2 réponses (+4 abstentions)

Tailles des racines Fines : 3 réponses Moyennes: 3 réponses Grosses: 3 réponses Fines et moyennes: 3 réponses Fines et grosses : 4 réponses Moyennes et grosses: 1 réponse

au point de vocabulaires associés d'une part à des définitions précises et d'autre part à des règles d'estimation adéquates. 11 est ainsi utile de prévoir des planches pour jauger l'abondance des taches, des essais pour définir la plasticité, des tests pour ca1culer l'abondance des éléments grossiers etc ...

2.2. Le controle à posteriori Certaines observations peuvent être contrölées ultérieurement par des

mesures en particulier: - la texture de terrain est précisée par l'analyse granulométrique, - la teneur estimée en matière organique est contrölée au laboratoire par la détermination de la quantité de carbone, - l'effervescence à l'acide chlorhydrique est relayée par Ie do sage des carbonates, - la porosité estimée peut être comparée à des mesures de densité apparente,' éventuellement à des mesures de perméabilité.

Prenons l'exemple du couple texture/granulométrie. Dans un travail non encore publié à ce jour (LEG ROS et ROQUES, à paraître) nous avons comparé systématiquement les estimations de terrain et les mesures de laboratoire sur 1915 échantillons stockés dans la banque STIPA de Montpellier. Les résultats obtenus montrent, globalement, que la texture est estimée exactement, sur Ie terrain, dans au mieux 25 % des cas. Une texture voisine (une case d'erreur sur Ie diagramme triangulaire GEPPA) est donnée dans 50 % des cas. Les 25 % qui restent correspondent à des erreurs représentant plus d'une case dans Ie triangle français. Cela veut dire qu'il faut former Ie sens tactile des utilisateurs.

Prenons maintenant l'exemple de l'effervescence à l'acide chlorhydrique. On a pu montrer que ce test restait tout à fait grossier et ne rendait compte, par analyse de variance, que de 49,8 % de la variation de la teneur en C0

3Ca

déterminée au laboratoire (LEGROS, 1973). Cela veut dire qu'il faut adapter la finesse du test à la précision de celui-ci. Concrètement à quoi servirait-il de

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demander aux observateurs de déterminer SUf Ie terrain l'effervescence en plus de trois classes (faible, moyen, fort)?! On voit que les caractéristiques du système descripteur peuvent être ajustées à la suite d'essais d'utilisation.

2.3. Redondance et controle de cohérence Les différentes variables qui permettent de décrire un sol et de Ie

caractériser analytiquement ne sont pas toutes indépendantes. - Si la redondance est extrêmement forte on peut juger que l'effort de

caractérisation est inutilement dupliqué. Le système descripteur peut être alors simplifié. Par exemple, dans la toute première version de STIPA (1975), nous avions utilisé les tests qualitatifs d'adhésivité et de plasticité en application des directives FAO (1968). Or, ces tests sont presque complètement redondants. On a, en effet, établi Ie tableau croisé suivant sur la base de 440 appréciations couplées faites par les cartographes du laboratoire INRA-Montpellier. Les échantillons provenaient de toute la France.

Tableau n02. Liaison plasticité/adhésivité (effectifs)

Non collant Peu collant Collant Très collant

Non plastique 10 10 1 0

Peu plastique 14 67 15 4

Plastique 0 18 84 13

Très plastique 0 8 35 161

On calcule aisément que trois observations sur quatre se situent sur la diagonale du tableau. Tout ceci explique pourquoi l'appréciation de l'adhésivité a été supprimée dans la seconde version de STIPA (1979).

- En revanche si la liaison entre les variables est faible, il n'y a pas lieu de s'offusquer d'une certaine redondance qui, au contraire, peut être utiliséee pour effectuer des controles de cohérence. Ainsi Ie programme "CHECKUP", bati à Montpellier, réalise 15 tests de cohérence sur chaque horizon de sol décrit et analysé (DUNAND-DIVOL, 1988). Pour établir ce programme on a d'abord passé en revue toutes les données déjà stockées dans la banque et examiné les liaisons intervenant entre les informations prises deux par deux. Pour les variables qualitatives cela conduit à des tableaux de fréquences croisées du type de celui qui vient d'être présenté (tableau 2). Pour les variables quantitatives on établit des corrélations. Dans un cas comme dans l'autre,

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puisqu'il s'agit de nombres importants on a Ie droit de raisonner en probabilité. Plus précisément en supposant rigoureusement fiables les données déjà présentes en banque, on peut estimer dans quelle proportion telle valeur d'une variabie est compatible avec telle valeur d'une autre. Mais comme on ne peut exclure l'hypothèse suivant laquelle les données déjà présentes en banque sont elles mêmes entachées de quelques erreurs, les probabilités trouvées, dans les cas limites, sont des probabilités maximales. Par exemple, tous calculs faits, la probabilité pour qu'une argile vraie puisse se comporter sur Ie terrain comme un sable pur et puisse donc être confondue avec du sable est au maximum de un pour mille, en France (cas de micro-agrégats de surface très secs). Par exemple aussi la probabilité pour qu'un sable limoneux soit réellement très plastique à l'état humide est au maximum de 2 % (matériel humitère avec sable fin non anguleux?).

Dans ces conditions, tout cas observé correspondant à une probabilité inférieure à 5 % conduit à une légitime suspicion, signalée par Ie pro gramme CHECKUP au moment de l'entrée de données. TI appartient alors à l'utilisateur, ainsi prévenu, de maintenir ou au contraire d'infirmer son diagnostic initial.

3. METHODE DE CONSTRUCTION D'UN VOCABULAIRE

Sinon pour chaque variabie, au moins pour chaque groupe de variables entrant dans Ie système descripteur, il est nécessaire de se poser différentes questions. Ces questions, au nombre de huit à notre avis, servent à mettre au point Ie vocabulaire souhaité avec Ie recul nécessaire pour qu'il apparaisse dans sa globalité, à la fois complet, cohérent et précis.

3.1. Approche synthétique ou analytique Pour décrire un objet, un arbre par exemple, on peut donner directement son

nom et dire que c'est un chêne. On peut tout aussi bien énoncer la liste détaillée de tous ses caractères et ainsi Ie décrire parfaitement. La première approche, qualifiée ici de synthétique, a Ie mérite de la concision. Mais elle est rarement très précise (i.e. : il existe toutes sortes de chênes différents par l'espèce, la taille etc ... ). En plus, elle peut être inapplicable si l'observateur, non spécialiste, ne sait pas trouver directement Ie terme ayant valeur de diagnostic global. La seconde approche, c'est-à-dire l'approche analytique est plus précise et facile à manipuler. Dans notre exemple elle va consister à caractériser Ie tronc de l'arbre, la forme de ses feuilles etc ... Mais elle va se traduire par une description longue à l'intérieur de laquelle l'essentiel est souvent noyé dans les détails.

Dans Ie domaine qui nous intéresse la caractérisation du sol est

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essentiellement analytique. En revanche la caractérisation de son environ­nement au plan géologique, climatique etc ... est souvent synthétique par volonté de concision. Dans un certain nombre de cas, on utilise les deux approches en même temps ce qui conduit à une certaine redondance. Par exemple, on ne se limite pas à la description du sol; on donne aussi son nom dans différents systèmes de classification!

3.2. Langage évolué ou primitif Pour nous expliquer prenons l'exemple de la couleur. Dans Ie sol on peut

s'attendre à observer différents éléments colorés tels que taches de matière organique, accumulations de carbonates, taches ferrugineuses etc. Mais l'expérience montre que tous les éléments colorés possibles ne sont pas présents à la fois dans Ie même profil. 11 suffit donc, théoriquement, de disposer de deux ou trois variables "couleur" et de les utiliser au fur et à mesure des besoins en précisant chaque fois à quoi elles s'appliquent. Par exemple on créera une variabie "couleur des objets colorés du type 1" suivie de "nature des objets colorés du type 1 ". (lei "type 1" n'a d'autre intérêt que d'assurer la correspondance entre couleur et nature). Cette solution est séduisante. Elle est compacte. Elle se rapproche d'un langage évolué dans lequel beaucoup de mots ont leur signification précisée par Ie contexte. Malheureusement de sérieux inconvénients apparaissent à l'usage. Pour Ie montrer supposons qu'on recherche dans la banque de données les sols présentant des taches ferrugineuses. Celles-ci ont pu être décrites avant ou après les autres objets colorés du profil. TI faut donc, pour les trouver, explorer Ie contenu de toutes les variables du type "nature des objets colorés". Ainsi, on ne sait plus ou se trouve exactement l'information recherchée. Plus grave encore, Ie même sol peut être décrit de plusieurs façons différentes puisque les objets de type 1 peuvent correspondre à la matière organique et les objets de type 2 aux taches ferrugineuses ou réciproquement.

Que de complications en perspective au niveau de l'utilisation de la banque! Faute de l'avoir compris assez tot, nous avons eu beaucoup de difficultés avec certaines variables de STIP A. Pour l'avenir il faut donc renoncer à des "variables de service" qui, créées en petit nombre, seraient utilisées pour définir l'abondance, la dimension, la forme et la couleur d'objets de nature indifférente. On devra donc accepter de revenir à un langage assez primitif dans lequel chaque mot (chaque variabie) a un seul sens et contenu possible. Par exemple : "couleur des taches d'oxydation" puis "couleur des taches de réduction" etc.

3.3. Variabie maîtresse ou variabie exclave Certaines variables sont "exclaves" en ce sens qu'elles ne peuvent être

décrites que si une autre, appelée par nous "maîtresse", a été renseignée. Par

202

exemple, il n'est pas possible de donner la taille des concrétions si on a indiqué, avant, qu'il n'y avait pas de concrétions! C'est là une évidence qui ne méritait pas qu'on s'y arrête tant que la description du sol se faisait avec des fiches. En effet, l'observateur gérait cela en sautant instantanément toutes les parties qui, sur les fiches, se révélaient inopérantes. La difficulté provient de l'utilisation au champ d'un micro-ordinateur portatif fonctionnant sur piles. Pour éviter que la machine défile toutes les questions relatives à des rubriques inutiles, il faut prévoir des sauts. Mais l'expérience montre que cela est plus difficile qu'il n'y paraît à priori. En effet, il existe dans Ie langage de description des sols toute une hiérarchie des variables les unes par rapport aux autres, avec parfois quatre niveaux. Par exemple : 1 - Y -a-t-il présence d'éléments organiques? 2 - Si oui s'agit-il d'une litière? 3 - Si oui cette litière comprend elle des aiguilles? 4 - Si oui quel est Ie degré de transformation de ces aiguilles? 11 est évident qui si on répond non à l'une des questions, il n'est pas nécessaire d'envisager celles qui suivent dans la liste.

Mais les structures hiérarchiques de ce type n'ont pas encore fait l'objet d'études détaillées, à notre connaissance. En d'autres termes les systèmes informatiques existants ne sont pas complètement hiérarchiques ou relationnels. C'est donc un des problèmes qu'il faudra résoudre à l'avenir.

3.4. Niveau de perception Considérons Ie cas d'un versant en pente forte taillé par les hommes en

terrasses ou banquettes de cultures. Si on demande à un observateur, situé sur une de ces terrasses, d'estimer la pen te, on pourra tout aussi bien obtenir la réponse: "pente forte" que la réponse : "pas de pente" . Tout dépend de l'échelle d'observation à laquelle on se réfère. Ce problème est général pour beaucoup de variables : la réponse est conditionnée par la taille de la surface qui est prise en compte. Par exemple : définition du type de végétation ou de culture, définition du type de sol dominant dans l'environnement etc ...

L'expérience a montré que les différents spécialistes du milieu naturel (climatologues, agronomes, pédologues, géomorphologues ... ) travaillent en considérant des systèmes géographiques emboîtés mais do nt les dimensions et les limites ne coïncident pas d'une discipline à l'autre : parcelle, biotope, micro-climat, série de sols, placette etc ... ). Ainsi doit-on fournir l'échelle d'observation soit en l'imposant à l'observateur soit en demandant à celui-ci de la préciser. A la limite, on peut décrire la pente ou la végétation à plusieurs niveaux successifs ce qui conduit évidemment à accroître Ie volume de la terminologie et la masse d'information correspondante.

203

3.5. Variables quantitatives ou qualitatives ordonnées Pour décrire, par exemple, la taille de la structure on a Ie choix entre deux

systèmes: - ou bien donner une valeur numérique telle que 10 ou 15 mm, - ou bien choisir et cocher Ie terme adéquat dans une liste indiquant par exemple : structure fine, structure moyenne, structure grossière etc ...

Chacun des deux systèmes présente des avantages et des inconvénients. L'approche numérique implique sur Ie terrain des mesures parfois difficiles mais conduit au stockage d'une information facile à traiter. Au niveau de l'édition elle peut se traduire par une présentation désagréable. Ainsi une description qui accumulerait les chiffres (couleur 7,5 Y 4 2, sable : 20 %, limon 60 %, cailloux : 30 %, taches : 15 %, racines : 20 %) serait rapidement illisible! L'approche qualitative, quant-à-elle, permet de définir des classes do nt les limites ne sont pas nécessairement régulièrement espacées mais sont au contraire choisies pour correspondre à un système de classement pré­existant ou pour rendre compte de modifications du fonctionnement du sol.

L'inconvénient principal de l'approche qualitative est qu'elle conduit à utiliser des adjectifs dont Ie sens niest pas facile à préciser. Par exemple une grosse structure grenue représente pour les spécialistes une taille plus fine qu'une petite structure prismatique. En clair, les adjectifs ne prennent leur sens qu'en fonction des substantifs auxquels ils s'appliquent. On est donc obligé de bätir différentes tables sur Ie modèle de celle qui suit :

Tableau n °3. Conversions entre valeurs numériques et qualificatifs.

Définition de la taille des structures Grenue Prismatique

Fine ou moyenne <5mm <50mm

Grosse >5mm >50mm

Les tables de ce type, abondantes dans certains glossaires de description des sols, doivent être connues de l'observateur pour que celui-ci décrive les profils avec la terminologie adéquate. Elles doivent être aussi connues des utilisateurs des descriptions de sols pour que ceux-ci ne perdent pas une partie de l'information leur parvenant. Bref, Ie système qualitatif est d'un emploi pas nécessairement très aisé. Pourtant son apparente simplicité Ie fait souvent préférer des spécialistes, à tort à notre avis.

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3.6. Type et degré de codification Pour toutes sortes de variables, par exemple pour caractériser une roche, il

est possible de fournir une réponse en clair telle que "granite" ou bien en code telle que "124". Du strict point de vue de 1'entrée des données, 1'expérience a montré que la meilleure solution était un mélange des deux systèmes. En effet, Ie recours systématique à des codes est déplaisant car 1'observateur doit se référer à des tables fournissant ces codes. De la même façon 1'utilisation généralisée de textes en clair est également désagréable car elle implique 1'écriture calligraphiée d'un grand nombre de mots. Cel a fait perdre du temps.

Reste donc à déterminer dans quel cas il faut utiliser un code et dans quel cas on peut préférer Ie langage naturel. A notre avis les codes sont souhaitables lorsqu'on est en présence d'une variabie dont Ie nombre d'état est limité (inférieur à 20), chacun d'entre eux pouvant être clairement défini. Citons ici Ie type de structure, Ie type d'humus, la forme des éléments grossiers etc ... En revanche, lorsqu'il est impossible de prévoir dans Ie détail tous les cas possibles (types de végétations, types de climats ... ). TI est pratique de combiner à la fois les codes et Ie langage clair en utilisant un groupe de deux variables. La première, en code, sert à introduire les divisions majeures dans Ie champ d'observation en question, par exemple : liste codée des grandes zones climatiques mondiales ou liste codée des grands types de roches. La seconde variabie, en clair, sert à apporter toutes les précisions désirées. Cela conduit, en défmitive, à des couples d'informations du type: - roche cristalline (première variabie, codée), - granite à muscovite du Velay (seconde variabie, en clair).

Ainsi Ie système garde sa souplesse tout en maintenant un nummum d'organisation permettant de retrouver instantanément, dans la banque, les sols sur socle cristallin, roches carbonatées, roches volcaniques etc ...

On peut aller un peu plus loin et proposer à 1'utilisateur d'employer, pour caractériser ses roches (seconde variabie en clair), l'un ou l'autre des mots clés d'une liste donnée. Par exemple, Ie mot "granite" étant 1'un de ces mots clés, l'utilisateur mentionnera Ie "granite tardimigmatitique du Vivarais" ou l"'arène de bas de pente sur granite". On préserve ainsi la possibilité de retrouver tous les sols sur granite sans réduire sensiblement les possiblités d'expression écrite. C'est cette solution que nous proposons dans Ie cadre des travaux de 1'ISO.

Ainsi, avons nous renoncé à l'emploi de grandes listes de roches ou de climats, codées, qui seraient complétées au fur et à mesure des besoins. Cette solution, utilisée antérieurement dans Ie cadre de STIP A, se révèle mauvaise à 1'usage. Les compléments sont introduits sous la pression des utilisateurs les plus actifs qui réagissent en fonction de leurs besoins propres. Cela conduit à des listes déséquilibrées avec, par exemple, trois sortes de roches carbonatées mais dix huit sortes de granites! Dans ces conditions, 1'interrogation de la

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banque devient difficile car, pour sélectionner les sols sur granite, il faut alors organiser des requêtes faisant intervenir successivement tous les numéros de code cachant des roches granitiques. C'est fastidieux; les risques d'erreurs et d'oublis deviennent importants.

3.7. Variabie simpie, doublée ou à cooteou doublé Nous avons vu plus haut qu'il était parfois utile de décrire plusieurs types de

pentes, plusieurs types de roches, etc. Pour chaque variabie se pose donc Ie problème d'un doublement éventuel, voire d'un triplement. Cette multipli­cation du nombre des variables est souvent réclamée au départ par les utilisateurs car il leur se mb Ie que cel a les aidera à faire face à toutes les situations, y compris les plus complexes. Mais l'expérience prouve que ces variables réclamées sont par la suite peu ou pas utilisées!

Voici quelques exemples de taux de remplissage de variables dans les banques STIPA de Montpellier (sur 13.149 horizons décrits) et d'Orléans (sur un échantillon de 4.051 horizons). Les statistiques ont été réalisées par lP. GAULTIER.

Tableau 0°4. Statistiques sur Ie taux d'utilisation de certaines variables STIP A (Montpellier, Orléans).

Pédologues Pédologues de Montpellier d'Orleans

Variables nombre tau x de nombre tau x de d'observa- remplis- d'observa- remplis-tions sage en % tions sage en %

Humidité 12.581 96 3.706 92 Texture 11.899 90 3.864 95 1 er type de structure 10.410 78 3.048 87 2è type de structure 982 6 975 12 Dimensions 1 er type de taches 1.448 11 1.629 40 Dimensions 2è type de taches 425 3 451 11 Dimensions 3è type de taches 31 0,2 58 1 Orientation du 3è type d'éléments grossiers 69 0,5 39 1

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En dépit de différences sensibles entre Montpellier et Orléans, liées aux types de sols rencontrés et décrits, on remarque un certain nombre de convergences. 11 existe des variables très utilisées comme l'humidité ou la texture avec un taux de remplissage toujours supérieur à 90 % (Ie renseignement est donné chaque fois que cela a un sens) et d'autres particulièrement délaissées. Ces dernières sont celles qui correspondent à un second ou à un troisième type de structure, de taches, d'éléments grossiers etc ... Les cas ou ces variables sont utiles et utilisées sont assez rares. Dans ces conditions, il vaut mieux les abandonner, pour alléger fiches et écrans de saisie tout en laissant aux utilisateurs la possibilité de mentionner l'existence des caractères correspondants dans les champs de "commentaires" prévus à cet effet.

On pourrait être tenté par la technique qui consiste à doubler non pas les variables mais les états de celles-ci. Par exemple, les deux solutions suivantes sont en principe équivalentes (tableau 5).

Tableau n° 5. Organisation de la prise en compte de deux types de racines

1 ère solution 2ème solution 1 er type de racines 2ème type de racines types de racines

Fines Fines Fine Moyennes (et) Moyennes Moyennes Grosses Grosses Grosses Très grosses Très grosses Fines et moyennes

Fines et grosses Fines et très grosses Moyennes et grosses etc ...

Mais dans beaucoup de cas la deuxième solution se révèle d'un emploi assez désagréable : il faut parfois lire une longue liste de tennes avant de repérer celui que l'on cherche pour Ie cocher et Ie sélectionner. Par ailleurs, il devient impossible d'exprimer Ie fait que les racines fines sont nombreuses alors que les racines moyennes sont rares ...

A notre avis, il est encore préférable de dupliquer la variabie "taille des racines" et toutes celles pour lesquelles on se trouve dans la même hésitation.

3.8. Valeurs nulles implicites ou non La question se pose ici de savoir si un observateur qui a constaté l'absence

d'un caractère donné, par exemple l'absence de cailloux, doit ou non Ie

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mentionner explicitement. En d'autres termes, faut-il prévoir en tête de beaucoup de variables, la rubrique "absence de ... tI? 11 est c1air que dans certains cas cela peut être important. De plus, cocher "absence de ... " signifie que l'observateur n'a pas oublié d'examiner la rubrique en cause. Cela représente donc une sécurité. Mais, on ne saurait aller trop loin sans alourdir la description du sol par une série de négations du type : pas de cailloux, pas de taches d'hydromorphie, pas de battance, pas de croûte saline en surface etc ...

Dans l'état actuel des réflexions, il semble que la solution la plus sage soit de prévoir les cas ou Ie caractère est absent ou nul... tout en demandant à l'ob­servateur d'utiliser la rubrique correspondante seulement si cela constitue réel­lement une information, compte tenu du contexte local ou régional. Par exem­ple : "pas de fentes de retrait" est une évidence inutile stil s'agit d'un ranker humitère et au contraire une information souhaitable s'il s'agit d'un vertisol.

Le tableau n° 6 résume toutes les questions que nous venons de poser et qui surgissent, presque pour chaque variabIe, tout au long de l'élaboration d'un vocabulaire relatif au milieu naturel.

Tableau D° 6 Options pour la mise au point d'un système descripteur relatif au milieu naturel.

QUEST/ONS CHOIX POSS/BLES

1 Type d'approche? Analytique Syntétique Ex : décrire les carac- ex : donner un nom à tères de l'objet l'objet

2 Type de langage Primitif Evolué Ex : la variabIe 124 re- ex. la variabie 124 repré-présente la couleur des sente soit la couleur des taches d'oxydation taches d'oxydation soit la

couleur des taches de ré-duction. Sa signification exacte doit donc être pré-cisée par une autre vari-able

3 Place de la varia- Maîtresse Exclave bIe dans la hiérar- Ex. : présence ou ab- Ex. : taille des racines chie? sence de racines (n'a de sens que stil y a

des racines)

4 Niveau de per- Parcelle, biotope, placette, région naturelle, etc ... ception?

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5 Type de variabie? Quantitative Qualitative Ex. : Structure 15 cm Ex. : Structure très gros-

sière

6 Type de codifi- Code Langage clair cation? Ex: 124 Ex. : granite

7 Type de double- Deux variables simp les U ne variable complexe ment? Ex. : racines fines Ex. : racines fines et

(lère variabie), racines grossières (variabie uni-grossières (2ème varia- que) bIe)

8 Valeurs nulles? Explicites Implicites Ex. : pas de racines -

4. REVUE DE QUELQUES FAUX PROBLEMES

Avant de conclure, il est nécessaire d'évoquer ici des questions que les concepteurs de systèmes descripteurs se voient poser par des utilisateurs en prise à des problèmes parfois plus apparents que réels.

(a) La première de ces questions est relative au volume de la terminologie. La nécessité de faire face à toutes sortes de cas particuliers conduit à créer des systèmes descripteurs très complets, même si on laisse de cöté quelques excès tels que Ie doublement ou Ie triplement systématique des varia bles. Les glossaires se transforment donc en ouvrages volumineux dépassant très largement la centaine de pages! Les utilisateurs manifestent parfois un rejet et trouvent a priori Ie système troP compliqué. C'est oublier qu'il s'agit seulement d'un dictionnaire dans lequel on va puiser la seule terminologie utile. Ce dictionnaire représente Ie maximum possible et pas du tout l'optimum souhaitable! On pourrait comparer cela avec Ie langage qui, dans la vie courante, représente moins de 3.000 mots même si Ie dictionnaire de la langue en autorise plusieurs dizaines de milliers.

D'ailleurs, les systèmes performants permettent la création de fiches de terrain simplifiées. A la limite, l'utilisateur peut ignorer l'aptitude du système à traiter des cas plus complexes que Ie sien.

(b) La seconde question souvent posée est relative à l'ordre des variables. Tel utilisateur préfère décrire la texture du sol avant la couleur et tel autre a l'habitude de l'ordre inverse! Est-il utile de dire que ce n'est pas un problème; les bons systèmes permettent de retenir l'ordre souhaité et aussi de modifier facilement celui-ci.

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Plus sérieuse est la question de savoir si on décrit tous les caractères d'un horizon avant de passer au suivant ou bien si l'on procède variabie par variabie pour caractériser sur tout Ie profil successivement la couleur puis la structure, puis la texture etc ...

STIP A autorise les deux méthodes; l'une paraissant mieux adaptée à la description des sondages à la tarière, l'autre à la description des fosses.

(c) Souvent on s'interroge sur l'importance scientifique de telle ou telle variabie. Existe-t-il des variables principales qu'il faudrait toujours décrire et d'autres secondaires qui seraient prises en compte seulement dans des observations détaillées? Toutes les tentatives faites pour distinguer dans cet esprit l'essentiel de l'accessoire ont échoué. En effet, tel caractère insignifiant dans un cas précis, devient important dans un autre. Par exemple la pierrosité, impossible à négliger dans les sols cultivés, est un caractère secondaire dans les prairies des Alpes du Nord parce qu'il pleut beaucoup (pas de manque d'eau) et parce qu'on ne laboure jamais (paturages).

Mais dans un cas clairement identifié, il peut être utile de quantifier l'importance prise par telle ou telle variabie en termes de contraintes agronomiques ou en terme d'intérêt pour la cartographie des sols.

Des tentatives sont faites dans ce sens à l'occasion de la mise en place du système INRA-DONESOL, système appelé à gérer les informations carto­graphiques relatives à la France.

(d) Enfin, il est bon de rappel er qu'il ne faut pas confondre les dictionnaires des données avec les logiciels qui s'en servent pour stocker et exploiter l'information pédologique. On peut changer un dictionnaire sans changer Ie logiciel support ou changer un logiciel tout en conservant un vocabulaire donné. Les utilisateurs voient les systèmes dans leur globalité, les acceptent ou les rejettent en vrac sans toujours bien faire la part de ce qui est informatique et de ce qui ne l'est pas. Cela les conduit souvent à sous-estimer les possibilités d'amélioration rapide de tout ou partie du dispositif.

5. CONCLUSIONS

Ce qui précède montre que la mise au point d'un système de description du milieu naturel est un travaillong et compliqué. 11 doit donc nécessairement être Ie résultat d'une réf1exion collective. Cette réf1exion ne peut être séparée de l'action, c'est-à-dire qu'elle doit intervenir au sein d'équipes ayant Ie souci et les moyens de tester sur Ie terrain l'efficacité du système proposé. Nous avons insisté en effet sur les processus de feed-back qui permettent l'amélioration rapide du dispositif à partir de l'expérience acquise par les utilisateurs.

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Le très grand nombre d'options possibles, à tous les niveaux, lors de l'établissement d'un vocabulaire montre qu'il est difficile de trouver la solution idéale à supposer qu'elle existe. En réalité les conceptions sont différentes, par exemple, si Ie vocabulaire intéresse Ie niveau mondial (FAO-ISRIC, 1989) ou au contraire des échelles plus modestes (AFNOR-ISO, 1990). Par ailleurs, toute justification scientifique laissée de cöté, on peut être amené à quelques compromis pour respecter un usage, une tradition ou - nous l'avons vu - pour éviter la lassitude liée à l'emploi systématique du même procédé (cas des variables codées trop nombreuses).

Enfin, les efforts doivent être poursuivis. Aucun pays, même développé, ne peut considérer comme négligeable Ie coût des analyses de terres et des études de sols. On est obligatoirement conduit à réduire autant que possible les mesures, qu'elles soient de terrain (caractéristiques hydrodynamiques) ou de laboratoire (diverses déterminations analytiques). Cela ne peut se faire que si on dispose d'observations qualitatives réalisées et organisées de manière rigoureuse. D'ou l'intérêt des travaux entrepris concernant les systèmes de description du milieu. Par la suite, il faudra aller jusqu'au bout de la démarche, c'est-à-dire mettre au point les méthodes statistiques et les systèmes experts aptes à manipuler et exploiter l'infonnation qualitative recueillie. De nombreux chercheurs s'y emploient.

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Bonneric, Ph., Navarro, R. & Falipou, P. (1986) Notice n02 pour la gestion informatique de la banque de données. Doe. ACCT, Paris, 119 p.

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USDA (1951) Soil Survey Manual. Agrieultural handbook, n° 18 U.S. Dept. Agric.

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Design of a vocabulary for the description of the natural environment

Summary The construction of a soil or environmental data base is dependent upon the

initial establishment of a vocabulary to describe what is observed. This paper describes the development of such a vocabulary. In the first part, are discussed some of the methods which allow the quality con trol of the proposed descriptive system. The second part reviews the principal options available for definition of the range of tenns which fonn the vocabulary. A table summarises the altematives. Finally, the third part raises some points which arise from the use of the vocabulary.

The conc1usion reaffmns that the idea of a vocabulary to describe the natural environment is necessarily the task of a number of individuals given the volume of work involved and given the necessity to effectively test the system in the field, and at the level of data processing the quality and technical efficacy of the chosen solutions.

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New publications Nieuwe uitgaven Nouvelles publications

H.W. Dalzell, A.J. Biddlestone, K.R. Gray and K. Thurairajan Soil Management : Compost production and use in tropical and subtropical environments. FAO Soils Bulletin 56, FAO, Rome, 1987, 177 p., ISBN 92-5102553-3. Orders to : FAO Distribution and Sales Section, Viale delle Terme di Caracalla, 001000 Roma, Italy, or local FAO sales agents.

This manual on soil management, presented in the FAO Soils Bulletin series, intends to promote the use of locally available organic materials in order to improve soil fertility and crop growth potential in the tropics and subtropics. The book combines a comprehensive description of raw materials, composting theory and composting practices, and the use of composting products in soil management. Economic and social aspects are considered as well.

The Bulletin contains 9 chapters and 8 appendices. The introductory part outlines the widely occuring lowering of soil fertility and provides an analysis of the farming systems required for stabie production increases. The need for composting is highlighted and a historical description is given of the worldwide development of composting.

Chapters 2 and 3 describe the principles and materials for composting, including the microbiology and related process factors which need to be controlled in order to obtain a satisfactory end product. Chapter 4 deals with the practical composting processes for small and large heaps; partly and fully mechanised units for treating urban wastes are also covered.

The composition of the compost product and the importance of soil organic matter in managing soil fertility are the major themes of chapter 5. This topic is followed by a discussion on the relevance of composting for minimising environmental pollution risks. Chapter 7 examines the economic and social potential and difficulties involved in composting, and chapter 8 looks at the requirements of extension schemes which aim to develop the practice of composting. Chapter 9 summarises the findings of the earlier chapters and builds arguments for the local bodies, agricultural and public health extension agencies and farmers throughout the tropics to take up composting.

The appendices provide a glossary of terms and abreviations, notes on plant nutrient calculations, a review of the complementary nature of composting and biogas production, suggestions for further reading and information on FAO filmstrips about composting.

This manual is written for all those who are concerned with the maintenance and improvement of soil fertility, especially under tropical and

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subtropical conditions. It may be of good value to staff in Government Agricultural Advisory Services and in non-governmental agencies, both at the policy-making level and in various levels in extension services. It contains material for use in farmer training as well as in planning waste disposal systems.

The English version of this Bulletin was published in 1987. A French version has recently been issued.

W.VERHEYE

N.W. Hudson Soil and water conservation in semi-arid areas. FAO Soils Bulletin 57, FAO, Rome, 1987, 172 p., ISBN 92-5102606-8. Orders to : FAO Distribution and Sales Section, Viale delle Terme di Caracalla, 001000 Roma, Italy, or local FAO sales agents.

The drought and famines of the 1970s and 1980s have largely focussed the attention on the semi-arid regions of the world. Although much of those calamities have a naturalorigin and can not directly be controlled, part of the processes may weil be affected by obvious mismanagement practices that have ultimately promoted soil erosion and other fonns of land degradation. Soil erosion can however be overcome and the land base be restored to a healthy, productive state if sound management and appropriate techniques are applied.

This book does not claim to find ready-to-apply solutions, but it discusses methods and techniques which have been tested and found useful somewhere and might he suitable for use in other conditions. The work includes 7 chapters, the first three of which outline the scale and importance of the problems and the difficulties, resp. possibilities for improvement. The authors present hereby evidence that part of the recent disasters of degradation and famine in Africa result from misuse and mismanagement of the natural resources.

Chapters 4, 5 and 6 deal mainly with the technical aspects of resp. soil conservation, water conservation and water harvesting and use. Soil conservation aspects that are discussed refer to the principles, biological processes and mechanical conservation works. Water conservation is explained in tenns of principles, crop water supplies, water spreading and surface drainage practices. The part on water harvesting and use refers to harvesting methods, treatment of catchments and water storage techniques.

The final chapter discusses applications of water conservation to grazing land and to trees and shrubs. The problem of overstocking and overgrazing is

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developed in detail. Techniques for improving the grazing by reducing runoff are discussed, with examples of both large-scale mechanised schemes and small-scale methods.

As frequently stated by the authors this Bulletin is not providing the direct and ready-to-apply answers to soil and water problems in the semi-arid belt. It is more intended as a reference and a guide to those planners and technicians working in the area who are searching for ideas to develop and adapt their methods to control land degradation and to introduce sustainable systems of productive agriculture. The quality of the work achieved by the authors and the amount of information compiled in this book is a guarantee for a succesful implementation of these guidelines in the field.

W.VERHEYE

Soil Survey Staff (1990) Keys to Soil Taxonomy (fourth ed) Soil Management Support Services (SMSS) Techn. Monogr. 6, Blacksburg, Virginia USA, 1990, 422p. ISBN 0-929900-014. Price: 12 US dollars (for US and developed countries only). Orders and information to : SMSS Program Leader, Soil Conservation Service, US Dept. Agriculture, P.O. Box 2890, Washington DC 20013 USA USA, or International Soils, Dept. Crops and Soil Environm. Sci., Virginia Tech. Blacksburg, Virginia 24061-0404 USA.

The Keys to Soil Taxonomy, SMSS Technical Monograph 19, has recently been updated and reprinted. This fourth edition includes all recent amend­mends to Soil Taxonomy. It replaces the keys in Soil Taxonomy, but it does not replace Agricultural Handbook 436, which contains descriptive material, laboratory data, and chapters on other subjects related to Soil Taxonomy.

This issue includes in particular all approved changes related to the recommendations of the International Soil Commitees (ICOMS) on Low Activity Clays, Oxisols and Andisols. In addition, it contains a revised format to the Keys to Subgroups, which was earlier published as National Soil Taxonomy Handbook n013.

RED.

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B.A. Kimball et al. (ed) Impact of carbon dioxide, trace gases and climate change on global agriculture. Amer. Soc. Agron. Special Publ. 53, Madison, Wisc., 1990, 133 p., ISBN 0-89118-103-2. Price: 15 US dollars (+10 % postage for orders outside US). Orders to : ASA-CSSA-SSSA Headquarters Office, att. Book Order Dept., 677 South Segoe Road, Madison, Wisc. 53711-1086 USA.

Increasing levels of carbon dioxide and other trace gases in the atmosphere generate much discussions about potential changes in the earths climate. Is the greenhouse effect leading to a warming of the earth, or will increasing levels of those trace gases affect the precipitation pattem and change the productivity of crops? These and many other topics were discussed at a symposium in Anaheirn, held in December 1988 and sponsored by the American Societies of Agronomy, Crop Science and Soil Science. This publication covers the proceedings of this meeting.

The book contains 8 major chapters, written by leading American scientists. In each of those chapters a complete review is given on the effect of CO emissions and/or concentrations related to probable climatic changes, as welf as on their anticipated impact on such issues like photosynthesis and plant growth, soil properties and soil use, plant communities and competition in natural and managed ecosystems, agricultural productivity, water resources and overall land use practices, ...

Besides up-to-date information and innovative research results each chapter contains an extensive and recent reference list, which allows further in-depth reading for those who want to know more about this new environmental issue for the years to come.

W.H. VERHEYE

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H.H. Cheng (ed) Pesticides in the soil environment : Processes, impacts and modeling. Soil Sci. Soc. America Book Series n02, Soil Sci. Soc. Am., Madison, Wisc., 1990, 554p., ISBN 0-89118-791-X. Price : 36 US dollars (+ 10 % for postage outside US). Orders to : SSSA Headquarters Office, attn. Book Order Dept., 677 South Segoe Road, Madison, Wisc., 53711-1086 USA.

In a world where environmental protection has become a key problem, a good understanding of the behaviour and fate of pesticides in plants and soils has become of paramount importance. This publication, to which many scientists have contributed and which documents the research and accomplishments in agricuhural chemistry over the last years, explores the pathways of pesticides from their entry in the soil through their progression in the various retention, transformation and transport processes under various conditions.

The book starts with an introductory chapter on the role and occurence of pesticides in the environment. This followed by a review of pesticide sources to the soil, the mechanisms related to the retention process and the sorption estimates for modeling purposes. Chapters 5 to 7 deal resp. with abiotic transformations in water and soil, biological transformation processes and volatilization. Transportation into surface waters or groundwaters is discussed in chapters 8 and 9. The efficacy of soil applied pesticides and the impact of such pesticides linked to risks and benefits of their application constitute the core part of this book and are treated in chapters 10 to 13. A perspective for future research and development needs constitutes an epilogue to this very well documented study.

This publication is well presented, clearly written and largely documented with quantitative material. Each chapter is moreover endowed with an extensive reference list which allows further reading for those that want to dig more into the matter.

W.H. VERHEYE

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Pedologie, 1990 (XXXX-2), 100 p., Gent, 1990

SUMMARY SOMMAIRE INHOUD

M. Kaemmerer, J.C. Revel & D. Lefevre Dissolution en cuvette et arasement d'éléments grossiers calcaires dans calcrètes, SUf des formations alluviales quaternaires (Bassin de Ksabi, Moyenne Moulouya, Maroc) - "Basin" dissolution and limestone pebbles flattening in calcretes of quatemary alluvial formations (Basin of Ksabi, Moulouya, Morocco) 123

M.S. Pazos Some features and processes associated with the caliche under humid climate, Balcarce, Argentina 141

J.S.C. Mbagwu Mulch and tillage effects on water transmission characteristics of an Ultisol and maize grain-yield 155

T .M. Abu-Sharar Solubility of calcium carbonate in the aquatic system of King Talal Reservoir (Jordan) 169

P. Goovaerts, R. Frankart & G. Gerard Effet de la succession de différentes affectations sur les propriétés chimiques de pedons en Fagne de Chimay, Belgique - Effect of successive land uses on soil chemical properties in the "Fagne de Chimay", Belgium 179

J.P. Legros & S. Nortcliff Conception d'un vocabulaire pour la description du milieu naturel des sols - Conception of a vocabulary for the description of natural soil environ-ments 195

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