Instit ut de red1erchepour 10 dévoloppamont

EVOLUTION DE LA STRUCTURE ET DES PROPRIÉTÉS HYDRAULIQUES

DANS DES FERRALSOLS MIs EN PRAIRIE P ATURÉE

(CERRADO, BRÉSIL)

Luiz Carlos BALBINO

THESE

présentée pour l'obtention du titre de

DOCTEURde l'Institut National Agronomique Paris - Grignon

"Biologie, diversité et adaptation des plantes cultivées (option agronomie)"

par

Luiz Carlos BALBINOIngénieur Agronome de l'EMBRAPA (Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuària)

ÉVOLUTION DE LA STRUCTURE

ET DES PROPRIÉTÉS HYDRAULIQUES DANS DES FERRALSOLS

MIS EN PRAIRIE PÂTURÉE (CERRADO, BRÉSIL)

Soutenue le 12 décembre 2001 devant le jury composé de:

BRESSON Louis-MarieBROSSARD MichelBRUANDAryMANICHON HubertPEREIRA Pedro Antonio ArraesROGER-ESTRADE JeanTESSIER Daniel

INA-PGIRDIEMBRAPAINRAIUniversité d'OrléansCIRADEMBRAPAINA-PGINRA

PrésidentDirecteur de ThèseDirecteur de ThèseRapporteurExaminateurRapporteurRapporteur

Avant-Propos

Cette étude a été rendue possible grâce au soutien scientifique et financier del'Embrapa (Empresa Brasileira de Pesquisa Agricola), de l'Ird (Institut de Recherche pour leDéveloppement) et de l'Inra (Institut National de la Recherche Agronomique).

Les sites étudiés sont localisés dans les Fazenda «Santa Rosa» pour le site deBrasilIJndia - MS, et Fazenda «Rio de Janeiro» pour le site de Planaltina de Goias - GO. Jevoudrais remercier ici les propriétaires qui m'ont permis de travailler sur leur propriété.

J'ai réalisé mon initiation à la recherche à l'OrganizaçlJo das Cooperativas do Estado doParana - Brasil (Ocepar - Département de Recherche) ; j'exprime toute ma gratitude à I.M.Carraro, Directeur du Centre de Recherche, et EF. Oliveira, Chercheur de l'Ocepar, qui m'ont faitprofiter de leurs connaissances et de leur expérience et qui m'ont apporté leur amitié.

Je tiens à témoigner ici ma profonde reconnaissance et mon amitié à M.F. Guimanles,Professeur de l'Universidade Estadual de Londrina - PR, sans qui ce travail n'aurait certainementjamais vu le jour. Nous avons discuté de nombreuses fois de la possibilité de réaliser cette étudeau contact de la communauté française de Pédologie.

Je voudrais remercier trés chaleureusement A Bruand, mon directeur de thèse,Directeur de recherche à /'Inra lorsque cette thèse a débuté et aujourd'hui Professeur àl'Université d'Orléans. II est difficile de citer toutes les raisons pour lesquelles je dois le remercier.Sans ses conseils, sa passion pour la recherche, son appui constant et son soutien, dans lecadre strict de la thèse comme dans celui plus large de mon séjour en France, il m'aurait étédifficile de mener à son terme cette thèse. « Muito Obrigado, Ary !».

Je voudrais également remercier M. Brossard, qui ma proposé de faire la thèse dans lecadre du projet de recherche «Sol et PIJturage» (coopération bilatérale entre l'EmbrapaCerrados et l'Ird) dont il a la responsabilité. Il a rendu possible les missions sur le terrain qui ontlargement contribué au bon déroulement de la thèse. II a participé à l'encadrement rapproché dela thèse malgré la distance Orléans - Brasilia. Durant ces trois ans et demi, nous avons échangéquelques centaines de mèls (475, plus exactement !).

Je suis particulièrement reconnaissant à A Capillon, Professeur à l'Ina P-G et Directeurdu Cirad-CA. qui m'a autorisé à m'inscrire dans la formation Doctorale cc Biologie, diversité etadaptation des plantes cultivées» à l'Institut National Agronomique Paris-Grignon. Je remercieégalement B. Ney, Professeur à /'Ina P-G, pour la confiance qu'il m'a témoigné après le départde A Capillon.

Je remercie H. Manichon, Délégué du Cirad en Guadeloupe, D. Tessier, Directeur deRecherche à l'Inra, et J. Roger-Estrade, MaÎtre de Conférence à l'Ina P-G, pour avoir acceptéd'être rapporteurs de cette tMse durant une période de l'année particulièrement chargée. Mesremerciements vont aussi à L-M. Bresson, Professeur de /'Ina P-G, pour avoir accepté d'êtreprésident du jury de thèse. Mes remerciements chaleureux à P.AA Pereira, Président du centrede l'Embrapa AtTOZ e Feijao à GoilJnia, qui a aussi accepté de participer à ce jury, qui m'avaitvivement encouragé à faire cette thèse et qui m'a toujours témoigné sa confiance.

Je tiens à exprimer toute ma gratitude à de nombreuses personnes del'Embrapa Cerrados qui m'ont accueilli chaleureusement lors de mes missions à Brasilia. Unemention spéciale à C.M.C. Rocha, Président du Centre de l'Embrapa Cerrados à Brasilia, pourl'aide qu'il m'a toujours apporté lors de mes missions. Je suis également reconnaissant àplusieurs chercheurs de l'Embrapa, pour leurs encouragements. Je pense en particulier à C.U.Magnabosco AO. Barcellos, L.F. Stone, EE Sano, E Assad, B.S. Pinheiro, H. Aidar,ES. Martins, A Reatto, J.S. Madeira Neto. Mes plus vifs remerciements à AC. Teixeira etS. Araujo, qui ont, respectivement, participé à l'échantillonnage et à l'édition d'un certain nombrede figures.

III

Je remercie aussi M. Grimaldi pour les discussions scientifiques productives, même sielles n'ont pas pu être aussi nombreuses que nous l'avions souhaité. Mes remerciements vontaussi à M. Lourd, alors représentant Ird, pour son chaleureux accueil durant les missions àBrasilia. Pour leurs disponibilités lors de mes recherches bibliographiques, je suis trésreconnaissant à T. Desjardins (Ird Bondy) et M. Lebroux (IrdlUsp Brésil). Je tiens également, àremercier D. Brunet pour son aide sur le terrain à Brasilia. Je n'oublie pas non plus E. Coraua,Gaucho, compagnon de travail dans le cadre du projet « Sol et Pâturage» pour les discussionslors des campagnes sur le terrain à Brasil§ndia et Planaltina de Goias.

Je remercie J.c. Bégon, Président du centre de Recherche de /'Inra d'Orléans, pourson chaleureux accueil sur le Centre. Je remercie également D. King, Directeur de l'Unité deScience du Sol, pour l'intérêt qu'il a montré pour mon sujet d'étude, le temps qu'il a consacré àrésoudre des problèmes administratifs et la qualité de son accueil au Laboratoire de Science du50/.

Sans pouvoir tous les nommer, je tiens à remercier ici tous ceux avec qui j'ai passé cestrois années et demi à /'Inra à Orléans. Merci pour leur gentillesse et leur soutien. Merci toutparticulièrement à 1. Cousin pour son aide dans la vie quotidienne au laboratoire, et sescommentaires critiques et constructifs lors de la rédaction. Merci à O. Duval pour le temps qu'ellea consacré à m'aider lors de la mise en forme du mémoire de thèse et sa relecture attentive.Merci à P. Quétin pour son aide lors des manipulations au laboratoire de physique du sol et sonamitié.

Je remercie tous ceux qui m'ont apporté leur aide technique lors la réalisation de cetravail. Merci à t. Tamaso pour ses suggestions de lecture lors de l'étude de l'histoire del'occupation du CerracJo. Merci à Christian, Hervé, Laurent, LoTc, Sacha, Pierre, Philippe etOlivier. Merci aussi à Gérald, Jocelyn et Eric pour leur soutien informatique lors des attaques« virales» et des rencontres de « bugs» sous Windows. Merci à Magalie, Marie-Pierre, Moniqueet Nathalie G. pour leur aide et la compréhension dont elles ont toujours fait preuve.

Merci beaucoup à la famille Bruand, à Laurence, Clémence, Paul-Ary et Marie-Alice,pour son hospitalité et son amitié. Merci aussi à la famille Brossard, à Christine, Manuel et Denis,pour son accueil lors des missions au Brésil, accueil qui a largement dépassé le cadre du travail.Merci également à la famille Quétin, à Véronique, Emilie et Nicolas pour son accueil dès lespremiers mois de notre séjour en France.

Enfin, je n'oublie pas pour autant mes proches que je remercie de tout mon cœur:

- Mes parents et mes grands-parents (in memorium), pour leur soutien financier,moral et spirituel; ils m'ont permis de faire des études supérieures et in fine cette thèse;

- Evelin, mon épouse, qui m'accompagne sur des chemins quelques fois biendifficiles. Je lui dois énonnément ... entre autres choses le développement de ma carrièreprofessionnelle. Mon investissement professionnel /'a souvent conduit à assumer le rO/e depère et de mère pour nos enfants. Je la remercie du fond du cœur pour son amour.

- Mes enfants, Karina, Andressa et Alexandre; toutes mes excuses pour le peu detemps qui je leurs ai consacré durant la réalisation de cette thèse. Je les remercie pour leuraffection, leurs ~lins, leur gaTté et leur tendresse.

IV

RÉsUMÉ

La région du Cerrado couvre environ 206 millions d'hectares et représente un peu plusde 24% du territoire brésilien. Les Ferralsols occupent la moitié de la surface du Cerrado etconstituent un modèle de sol très sensible aux pratiques agricoles. Cette étude a pour objectifde préciser dans quelle mesure les propriétés physiques des Ferralsols sont affectées par lamise en culture dans des systèmes où eUe est récente et correspond à une faible pressionanthropique par rapport à ce qu'elle est sous culture intensive. A cette fin, nous avonssélectionné deux sites (Brasilândia - MS et Planaltina de Goiâs - GO) et pour chacun d'eux,(i) un sol sous végétation naturelle de Cerrado et (ii) un sol sous prairie artificielle deBrachiaria qui est pâturée et qui se caractérise par une faible productivité.

Les sols étudiés sont de texture argilo-sableuse à Brasilândia et argileuse à Planaltinade Goiâs. Leur macrostructure est très peu développée, voire absente suivant les horizons. Enrevanche, ils présentent une microstructure très développée composée de microagrégats de 50à 300 um qui sont attribués à l'activité des termites. Juxtaposés à ces microagrégats, d'autresagrégats de plus grande taille de 500 à 1000 um, sont fréquemment assemblés en volumescompacts de 2 à 20 mm. Ces volumes compacts ont été attribués à l'activité de versgéophages qui résulterait d'un déséquilibre dans la faune du sol à la suite du défrichement.L'analyse de la porosité à partir des mesures de densité apparente et de celles réalisées enporosimétrie au mercure a permis de quantifier la diminution de porosité associée à cetteévolution structurale. Les résultats indiquent aussi que les microagrégats ne sont pas desédifices rigides lors de la dessiccation et mettent en évidence le rôle significatif de la matièreorganique dans ce comportement. Le retrait apparaît être corrélé à la teneur en carboneorganique mais à l'état dehydraté, le volume poraJ de la phase argileuse ne dépend plus que dela teneur en argile. L'analyse de la littérature montre d'ailleurs très clairement qu'il existe unerelation très générale entre la quantité d'argile et le volume poral au sein des microagrégatsdes Ferralsols. Pour le site de Planaltina de Goiâs, les résultats montrent que les propriétés derétention en eau sont fortement affectées après la mise en prairie pâturée et cette évolution estétroitement liée à l'évolution de la structure, en particulier avec l'envahissement des 40 cmsupérieurs du sol sous pâturage par de très nombreux volumes compacts correspondant à desturricules. n y a une diminution de la quantité d'eau retenue à -10 et -33 hPa pour la couche25-40 cm sous pâturage et par conséquent une diminution de la réserve en eau disponiblepour les plantes. Les teneurs en eau aux valeurs de potentiel de -100, -330 et-150oo hPamontrent en revanche une étroite relation avec la teneur en argile. Les teneurs en eau auxpotentiels de -100 et -330 hPa observées avec la méthode utilisant une cellule à pression sontproches de celles obtenues avec la méthode par évaporation. Par ailleurs, nos résultatsmontrent que la méthode par évaporation surestime les valeurs de conductivité hydraulique àl'état saturé par rapport à celles qui sont mesurées directement. Ils révèlent aussi que laconductivité hydraulique à saturation serait en relation avec les pores de diamètre équivalentsupérieur à 100 um. La conductivité hydraulique calculée à -50 et -900 hPa apparaît enrevanche être liée au développement de la microagrégation.

Enfin, nous avons pu montrer que si les transformations de la structure à l'échelle del'assemblage des microagrégats apparaissent être intimement liées à l'évolution de l'activitéde la faune du sol, l'agencement des particules d'argile au sein des microagrégats varie elle,en revanche, très peu en fonction du type de microagrégat, même après mise en prairiepâturée, et ceci pour une large gamme de Ferralsols de différentes régions tropicales.

Mots clésFerralsols, Brésil, pastora/isme, Brachiaria spp, masse volumique, conductivité hydraulique, porosité,matière organique, ver géophage, termite.

v

RESUMO

Evoluçio da estrutura e das propriedades bidraulicas de Latossolos ap6s implantaçio depastagem (Cerrado, Brasil)

o Cerrado ocupa uma ârea de aproximadamente 206 milhôes de hectares, representandopouco mais de 24% do territério brasileiro. Os Latossolos cobrem cerca de 50"10 desta superficie epodem ser afetados pelas praticas agricolas em um curto periodo de tempo. Este estudo teve porobjetivo avaliar em que medida as propriedades fisicas dos Latossolos sâo afetadas pela cultivoem sistemas recentes corn baixa pressâo antr6pica comparados a sistemas de manejo intensivo.Corn esta finalidade, forarn selecionadas duas âreas (Brasilândia - MS e Planaltina de Goiàs ­GO) e para cada uma, (i) um solo sob vegetaçâo natural de Cerrado e (ii) um solo sob pastagemcultivada corn Brachiaria sp sob pastejo, caracterizada por uma baixa produtividade.

Os solos estudados sâo de textura argilo-arenosa em Brasilândia e argilosa em Planaltina deGoiâs, A macroestrutura é pouco desenvolvida ou até inexistente. No entanto, estes solosapresentam uma microestrutura muito desenvolvida, composta de microagregados de 50 a 300 umque sâo atribuidos à atividade de cupins. Justapostos a estes microagregados, encontram-se outrosmaiores, corn tamanho variando de 500 a 1000 um, freqüentemente reunidos em volumescompactos de 2 a 20 mm. Estes volumes compactos sâo atribuidos à atividade de minhocasgeéfagas que resultariam de um desequilfbrio da fauna do solo seguida ao desmatamento. Aanâlise da porosidade à partir de densidade aparente e de porosimetria à rnercûrio permitiuquantificar a diminuiçâo da porosidade associada à sua evoluçào estrutural. A anâlise dosresultados mostra também que os microagregados nâo sâo edificios rigidos quando submetidos àdessecaçào evidenciando 0 papel da matéria orgânica nesse comportamento. A retraçâo pareceestar correlacionada ao teor de carbono orgânico, mas no estado desidratado 0 volume poral dafase argilosa sô depende do teor de argila. A anàlise da literatura mostra claramente a existênciade uma relaçâo muito freqüente entre a quantidade de argila e 0 volume poral no interior dosmicroagregados. Para 0 sitio de Planaltina de Goiâs, a retençào de âgua é fortemente afetada apésa utilizaçâo coma pastagem e essa transformaçâo esta Iigada à evoluçâo da estrutura. Emparticular, corn 0 desenvolvimento nos primeiros 40 cm do solo sob pastagem, de numerososvolumes compactos correspondentes aos coprélitos de minhocas ge6fagas. Constata-se umadiminuiçâo da quantidade de âgua retida à -10 e -33 hPa para a camada 25-40 cm sob pastageme, em conseqüência, uma diminuiçâo da reserva de âgua disponivel para as plantas. Os teores deâgua a valores de potencial de -100, -330 e -15000 hPa apresentam, por outra lado, uma relaçàocorn 0 teor de argila. Os teores de âgua nos potenciais de -100 e -330 hPa observados corn 0

método que utiliza uma célula de pressâo sâo préximos daqueles obtidos corn 0 método porevaporaçào. Adicionalmente, os resultados do presente trabalho mostram que 0 método porevaporaçào superestimam os valores de condutividade hidrâulica saturada em relaçâo aqueles quesâo medidos diretamente. Revelam ainda que a condutividade hidràulica saturada estariarelacionada corn os poros de diâmetro equivalente superior à 100 um, A condutividade hidrâulicacalcu1ada a-50 e -900 bPa parece par sua vez estarligadaao desenvolvimento da microagregaçào.

Enfim, foi mostrado que se as transformaçôes da estrutura ao nivel da organizaçào dosmicroagregados parecem estar intimamente Iigadas às modificaçëes da atividade biolégica dosolo, 0 arranjo espacial dasparticulas de argila no interior dos microagregados varia muito poucoem funçâo do tipo de microagregado. Mesmo apés a implantaçâo da pastagem, e ainda para umagrande quantidade de Latossolos de diferentes regiôes tropicais.

Palavras-cbaveLatossolo, Brasil, Cerrado, pastagem, Brachiaria spp.. lâmina delagada, densidade global.porosimetria à merctirio. condutividade hidrâulica,porosidade, matéria orgânica. minhoca, térmita.

VI

SUMMARY

Evolution of tbe structure and tbe bydraulic properties in Ferralsols cultivated in grazedpasture after deforestation (Cerrado, Brazil)

The Cerrado covers approximately 206 million hectares, corresponding to one fourthof the Brazilian territory. Ferralsols occupy half of the Cerrado's surface and constitute ahighly sensitive model, their chemical and physical properties being easily affected byagricultural practices. The objective of this study was to specify to what degree the physicalproperties of Ferralsols are affected by cultivating recent systems such as pastures, with lowanthropic pressure in comparison to a system of intensive cultivation, such as grainproduction. For this purpose, we selected two sites (Brasilândia - MS and Planaltina de Goiâs- GO) and for each one, (i) a soil under natural vegetation of Cerrado and (ii) a soil undercultivated pasture with grazed Brachiaria, characterized by low productivity.

The soils are sandy-clay in Brasilândia and c1ayey in Planaltina de Goiâs. Theirmacrostructure is not very developed or even absent in sorne horizons. On the other hand,these soils are of a highly developed microstructure with microaggregates from 50 to 300 um,created by termite activities. Juxtaposed with these microaggregates, other aggregates from500 to 1000 um are to be found, frequently observed in compact volumes from 2 to 20 mm.They are produced by the activity of geophageous earthworms and, this would result from animbalance in the soil macrofauna of the pasture following the clearing of the natura!vegetation (Cerrado). The analysis ofporosity was carried out with bulk density and mercuryporosimetry determinations. The reduction of porosity is associate with structural evolution ofthe soils. The results also state that the microaggregates are not rigid fabric when submitted toshrinkage highlighting the role of the organic matter in this behavior. The shrinkage appearsbeing correlated with the percentage of organic carbon, but in a drying state pores volume ofthe c1ayey phase depend on the clay content. The analysis of the literature clearly shows ageneral relation between the quantity of clay and pores volume within the microaggregates ofFerralsols. For the site of Planaltina de Goiàs, the results show that the water retentionproperties are strongly affected usage as grazed pasture. This transformation is closely relatedto the structure evolution, in particular with the development of compact volumescorresponding to earthworm casts in the 40 cm uplayers under pasture. There is a reduction ofwater retention values at -10 and -33 hPa for the layer 25-40 cm under pasture andconsequently a reduction in the water reserve available for the plants. On the other hand, thewater contents at values ofpotential of -100, -330 and -15000 hPa show a relationship to thesoi! clay content. The water contents measured at -100 and -330 hPa with the pressure cellmethod are close to those obtained with the evaporation method. Additionally, our resultshow that the evaporation method over-estimates the values of saturated hydraulicconductivity compared to those measured directiy. They also reveal that saturated hydraulicconductivity would be in relation to the pores of diameter higher than 100 um, The calculatedhydraulic conductivity at -50 and -900 hPa appears to be related to the development of themicroaggregation.

Finally, it became apparent that if the transformation of the structure on the scale ofthe microaggregates arrangement appears to be closely related to the evolution of the activityof the soil fauna, the clay particle packing depends little on the type ofmicroaggregates, evenafter establishing the pastures and this for a broad range of Ferralsols ofvarious tropical areas.

Key-wordsFerralsols, Brazil, pasture, Brachiaria spp, bulk density, mercury porosimetry, hydraulic conductivity,porosity, organic manu, geophageous earthworm, termite.

VII

SOMMAIRE

INTRODUCfION GÉNÉRALE 3

CHAPITRE 1

Mise en valeur des ferralsols de la région du Cerrado : une étude bibliographique...... 7

CHAPITRE 2

Comportement de la phase argileuse lors de la dessiccation dans des ferralsolsmicroagrégés : Rôle de la microstructure et de la matière organique 45

CHAPITRE 3

Evolution de la porosité et de la microagrégation dans des Ferralsols :Importance de la teneur en argile et de l'activité biologique 63

CHAPITRE 4

Evolution des propriétés hydrauliques:Rétention en eau et conductivité hydraulique 85

CONCLUSION ET PERSPECTIVES 109

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES 117

INTRODUCTION GÉNÉRALE

A l'origine, les propriétés chimiques et physiques des sols tropicaux résultentd'un fragile équilibre acquis sous végétation naturelle. Lorsqu'ils sont mis en culture,leur fertilité, tant chimique que physique, est alors étroitement dépendante despratiques culturales (Boyer, 1982 ; Séguy et al., 1984; ICluthcouskiet al., 1999).Pour suppléer aux faibles teneurs en azote, phosphore, potassium et calcium, ceséléments doivent être apportés par la fertilisation, ce qui constitue fréquemment unecontrainte forte pour la production, les modes de gestion étant encore limités par leniveau d'intrants dans de nombreuses régions. Lorsque cette limite n'existe pas, c'estla faible capacité de stockage des sols et la pluviométrie très élevée qui s'oppose alorsfréquemment à une gestion optimisée de la fertilisation (Buttler et Jones, 1973;Siqueira et al., 1986; Oliveira et al., 1999). Sur le plan physique, les sols de la zonetropicale possèdent aussi souvent des propriétés qui rendent les actionsdécompactantes du travail du sol essentielles au maintien de leur fertilité physique(Oliveira et al., 1986). Les alternatives de régénération de la structure par fissurationgrâce aux phénomènes de retrait-gonflement sont généralement très faibles en raisonde la nature kaolinitique de la phase argileuse.

Parmi les sols les plus fréquents dans la zone tropicale, les Ferralsols, quicorrespondent pour la plupart aux sols Ferrallitiques de la classification CPCS (1967),constituent un modèle extrêmement intéressant pour étudier l'évolution des propriétésphysiques et chimiques des sols tropicaux cultivés. Bien qu'ils soient considéréscomme étant parmi les sols tropicaux les plus faciles à valoriser, ils n'en sont pasmoins fragiles en raison de leur faible teneur en éléments chimiques. Avec une phaseargileuse le plus souvent essentiellement composée de kaolinite et secondairementd'oxy-hydroxydes de fer et d'aluminium, leur capacité d'échange cationique est peuélevée même lorsqu'ils ont une teneur en argile importante. Leur charge électriquenégative est largement dépendante des charges variables des phases minérale etorganique.

5

Sur le plan de la structure, la phase argileuse essentiellement kaolinitique estassociée aux grains du squelette de la taille des sables et de nature quartzique pourformer des édifices de forme subarrondie, d'environ 50 à 250 um de diamètre, quel'on dénomme microagrégats. Les microagrégats constituent la principalecaractéristique structurale des Ferralsols, leur macrostructure étant généralementfaiblement développée, voire totalement absente dans certains cas. Ceci explique queles propriétés physiques des Ferralsols, lorsqu'ils sont cultivés, soient alors étroitementdépendantes de la stabilité des microagrégats et des vides résultant de leur assemblage,ainsi que des vides de grande taille créés par le travail du sol. La pérennité de cesderniers est souvent limitée dans le temps en raison de la faible cohésion del'assemblage de microagrégats. Dans de tels sols, qui apparaissent être très sensiblesaux actions compactantes des engins agricoles (surtout lorsqu'il s'agit d'outils àdisques), tout au moins à l'échelle de la macrostructure et des vides qui en résultent,l'activité biologique et en particulier celle de la macrofaune du sol peut jouer un rôlemajeur. S'il existe un consensus pour reconnaître la fragilité des Ferralsols lorsqu'ilssont mis en culture, il n'en reste pas moins qu'il est souvent difficile de séparer ce quirevient aux propriétés chimiques et aux propriétés physiques, soit en d'autres termes,ce qui relève de la fertilité chimique et de la fertilité physique, ainsi que de leurgestion.

Dans ce contexte, notre étude a pour objectif de préciser dans quelle mesure lespropriétés physiques de Ferralsols sont affectées par la mise en culture dans dessystèmes où elle est récente et correspond à une faible pression anthropique. Onsouhaite ainsi étudier les transformations qui se produisent en quelques années, c'est­à-dire sur un courte période. A cette fin, nous avons sélectionné au Brésil des prairiesartificielles de Brachiaria installées après déforestation de la végétation naturelle deCerrado et qui se caractérisent aujourd'hui par une faible productivité «<pâturagedégradé») sans que l'on sache ce qui résulte du comportement du sol ou de la gestiondu pâturage (charge à l'hectare et distribution temporelle).

Deux sites ont été sélectionnés dans le Cerrado, immense biome de 206 millionsd'hectares. L'un des sites correspond à des Ferralsols argileux, l'autre à des Ferralsolsargilo-sableux. Dans chaque site ont été comparées deux situations, l'unecorrespondant à la végétation naturelle de Cerrado, l'autre à un pâturage de Brachiariaâgé d'environ 10 années et présentant une faible productivité. Pour chaque site, nousavons étudié la structure, la porosité et les propriétés hydrauliques en nous attachant àles décrire en détail dans les premières décimètres du sol.

Les résultats obtenus sont présentés sur la forme d'articles qui sont à la date dela soutenance de la thèse soit publiés, soit acceptés, soit soumis pour publication.Chacun de ces articles fait l'objet d'une brève présentation qui permet de le replacerdans le contexte de l'ensemble de l'étude. Enfin, une conclusion permet de rassemblerles principaux résultats et d'en dégager des éléments nouveaux quant à l'évolution despropriétés physiques des Ferralsols du Cerrado, et plus généralement des solstropicaux.

6

CHAPITRE 1

MISE EN VALEUR DES FERRALSOLS DE LA, ,

RÉGION Du CERRADO : UNE ETUDE

BIBLIOGRAPHIQUE

Le Brésil a été découvert par les Portugais en 1500 mais la région du Cerradone commence à être explorée qu'à la fin du XYlème siècle en raison principalement desa position géographique. Une exploration intensive n'a lieu qu'au XXème siècle.L'apogée de cette mise en valeur se situe entre les années 1960 et 1980. Depuis, denombreux indicateurs montrent que la région connaît une dégradation environ­nementale importante. Des cultures annuelles répétées et l'utilisation continue desoutils à disques en condition d'humidité défavorable ont provoqué une dégradation dela structure des couches travaillées des sols ainsi que la formation d'un horizoncompacté juste au-dessous (Camargo, 1983; Seguy et al., 1984; Kluthcouski et al.,1991).

Nous présentons ici la région, sa végétation, sa géologie, son climat et ses sols,ainsi que le contexte de la mise en valeur des Ferralsols. Nous analysons en priorité lestravaux qui ont porté sur la structure des Ferralsols et les propriétés physiques qui luisont liées.

Ce chapitre a été soumis pour publication en octobre 2001 à la revue Etude et Gestion des Sols.

9

Mise en valeur des Ferralsols de la région du Cerrado (Brésil) et

évolution de leurs propriétés physiques: une étude bibliographique.

L.C. Balbino(I)(2)' M. Brossard.j, J-C LepruI1(4) et A. Bruandj.

(1) INRA, Unité de Science du Sol. Centre de Recherche d'Orléans, BP 20619, 45166Olivet Cedex, France(2) EMBRAPAArroz e Feijâo, BP 179,75375-000 SantoAntôniode Goias, GO, Brésil(3) IRDIEMBRAPA Cerrados,BP 7091, 71619-970 Brasilia,DF,Brésil(4) IRD, BP 5045, 34032 Montpellier Cedex, France(5) Institut des Sciences de la Terre d'Orléans (ISTO), Université d'Orléans, BP 6759,45067 OrléansCedex 2, France

Titrecourant: Mise en valeuret propriétésphysiquesdes Ferralsols du Cerrado

RÉSUMÉ

Le Cerrado recouvre 206 millions d'hectares et représente environ un quart duterritoire Brésilien. Cette région correspond originellement à des écosystèmes de typesavane tropicale. Le développement de l'agriculture n'y débute réellement qu'à la findu XIXème siècle, s'accélère dans les années 30 du XXèmc siècle et atteint sonmaximum entre les années 60 et 80. Aujourd'hui, cette région, où les surfacesaffectées à l'activité agricole n'augmentent plus que très lentement, voit sa structurefoncière évoluer avec le développement des grandes exploitations et le potentielagricole de ses sols de plus en plus fréquemment dégradé par des pratiques agricolesextractivistes.Dans ce contexte, les Ferralsols qui couvrent environ la moitié de la surface duCerrado constituent un modèle très sensible, leurs propriétés chimiques et physiquespouvant être rapidement affectées par les pratiques agricoles. S'il est bien établi que lafertilité chimique est rapidement affectée par la mise en culture, cela apparaît êtrenettement moins bien établi pour la fertilité physique. En effet, l'analyse détaillée de lalittérature montre que si la gestion de la fertilité chimique des Ferralsols pour denombreuses cultures repose aujourd'hui sur de nombreux travaux, la gestion de lafertilité physique est en revanche moins bien établie. Les études révèlent que la miseen culture s'accompagne d'une importante et rapide évolution de la porosité en surfacequi se traduit fréquemment par une augmentation de la masse volumique alors quecelle-ci est faible sous végétation naturelle, en particulier dans les Ferralsols argileux.On observe alors une diminution de la stabilité structurale, un accroissement de laproportion d'argile dispersable dans l'eau, une augmentation de la résistance à lapénétration et une plus faible conductivité hydraulique.Enfin, si un certain nombre d'études ont bien montré comment évoluaient lespropriétés physiques en fonction de l'usage des Ferralsols, il n'en reste pas moins quela qualité des résultats obtenus est encore très inégale et les études très partielles. Il enrésulte que ces résultats sont difficilement généralisables à l'ensemble des Ferralsolsdu Cerrado. Par conséquent, le rôle de l'évolution des propriétés physiques dans celle

II

de l'évolution globale de la fertilité de Ferralsols lorsqu'ils sont mis en culture restedifficile à cerner.

Mots clés: Pastoralisme, masse volumique, stabilité structurale, résistance à lapénétration, conductivité hydraulique, rétention en eau, ruissellement, érosion.

SUMMARY

Development of agriculture on Ferralsols in the Cerrado region (Brazil) andchange of their physical properties: a reviewThe Cerrado region covers 206 millions hectares and corresponds to approximatelyone fourth of the Brazilian territory. This region was originalIy occupied by tropicalsavannahs. Agriculture started at the end of the 19th century, has developed morequickly since 1930 and reached its maximum between 1960 and 1980. Today, thisregion where land devoted to agriculture only increases slowly has estates that stillincrease in size but their soils degrade often because of extrativist production systems.ln that context, Ferralsols cover half of the Cerrado surface area and constitute highsensitive model, their chemical and physical properties being easily affected byagricultural practices. If it is weil established that chemical fertility is quickly affectedby clearing and then cultivation and that this results in a degradation of the soilfertility, possible evolution of the physical fertility is much less surrounded. Detailedanalysis of the literature shows that if the decrease in the global fertility followingclearing and cultivation is today weil established under severai soil usages, the role ofthe evolution of physical properties is on the opposite less clear. Works show thatcultivation goes with a significant and quick evolution of the porosity topsoil thatresults in an increase in the bulk density when it is small under native vegetation, inparticular in clayey Ferralsols. We record also a decrease in the structure stability, anincrease in the clay fraction dispersible in water, an increase in the resistance topenetration and a smaller hydraulic conductivity.Finally, if several studied showed clearly how physical properties evolved according toFerralsols usage, the fact remains that the quality of the results obtained is still veryunequal and studies often highly incomplete. It follows that results cannot begeneralized to apply to the whole Ferralsols of the Cerrado region. Consequently, therole of the physical properties in the global evolution of Ferralsols fertility when theyare cleared and cultivated remains difficult to surround.

Key-words: Pastoralism, bulk density, structure stability, resistance to penetration,hydraulic conductivity, water retention properties, runoff, erosion

RESUMEN

DesarroUo de la agricultura en Ferralsols de la regién dei Cerrado (Brasil) yevolucion de sus caracterfsticas fisicas: una revision.La regi6n dei Cerrado representa aproximadamente un cuarto dei territorio brasileüocorn 206 millones de hectâreas. Esta regi6n era originalmente cubierta por ecosistemasde tipo sabana tropical. El desarollo de la agricultura comienza realmente al final deisiglo XIX, se acceler6 en los afios 30 dei siglo XX y lIeg6 a su apogeo entre los aüos60 y 80. Hoy, en esta regi6n, las superficies dedicadas a las actividades agricolas

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aumentan lentamente. La estructura fundlaria evoluye corn el desarollo de grandeslatifundios y el potencial agricola de los suelos disminuye corn prâcticas que muchasveces se consideran de extractivistas. En este contexto, los Ferralsols que ocupanaproximadamente la mitad de la superficie dei Cerrado, son un modelo sensible, puessus propiedades quimicas y fisicas pueden ser râpidamente alteradas por las prâcticasagricolas. Si queda establecido que la fertilidad quimica es râpidamente modificadapor el cultivo, eso no es tan nitidamente mostrado en el casa de la fertilidad fisica. Enefecto, el anâlisis detallado de la literatura muestra que la gesti6n de la fertilidadquimica de los Ferralsols para numerosos cultivos fué bien establecida. En cambio, lagesti6n de la fertilidad fisica es menos conocida. En la definici6n global de lafertilidad de un Ferralsol el limite entre ambas partes, quimica y fisica, es menosevidente. Los estudios revelan que el cultivo de estos suelos es acompaiiadorâpidamente por una grande evoluci6n de la porosidad de superficie. Esta se traducefrequentemente por unaumento de la densidad aparente, siendo que esta es pocoelevada bajo vegetaciones naturales, en particular en los suelos arcillosos. Se observatambién una disminuci6n de la estabilidade estructural, un aumento de la proporci6nde arcilla dispersable en âgua, un aumento de la resistencia a la penetraci6n y unadisminuci6n de la conductividad hidraùlica,

Finalmente, si ciertos trabajos mostraron coma evolucionan las propriedades fisicasen funci6n dei uso de los Ferralsols, la calidad de los resultados obtenidos es todaviamuy desigual y los estudios son parciales. En consequencia, la generalizaci6n de losresultados es dificil para el conjunto de Ferralsols dei Cerrado. Asi, el papel de laevoluci6n de las propiedades fisicas dentro dei conjunto global de evoluci6n de lafertilidad de los Ferralsols, cuando cultivados, es todavia dificil de definir.

Palabras claves: Pastizales, densidad aparente, estabilidad estructural, resistencia a lapenetraci6n, conductividad hidraûlica, propriedades de retenci6n de âgua,escorrimiento, eroci6n

RESUMO

UtiIizaçio de Latossolos da regiio do Cerrado (Brasil) e evoluçio das suaspropriedades fisicas: uma revisio.A regiâo do Cerrado constitui uma ârea de aproximadamente 206 milhôes de hectares,representando cerca de 25 % do territ6rio brasileiro. Esta regiâo correspondeoriginalmente aos ecossistemas do tipo savana tropical. 0 desenvolvimento daagricultura na regiâo inicia-se no fim do século XIX, tomando vulto no século XX, nadécada de 30 e atinge seu apogeu entre as décadas de 60 e 80. Atualmente, a expansàode suas fronteiras agricolas é cada vez mais escassa e sua estrutura fundiâriaconcentra-se em grandes propriedades. 0 potencial produtivo dos solos, apresenta-secada vez mais degradado devido à utilizaçâo de sistemas agricolas extrativistas.Neste contexto, os Latossolos, que cobrem cerca de 50 % da superficie do Cerrado,constituem um modelo bastante sensivel, Suas propriedades quimicas e fisicas podemser rapidamente transformadas pela utilizaçâo de praticas agricolas inadequadas. Asalteraçëes na fertilidade quimica, devido a utilizaçâo agrieola do solo, sào conhecidas,o mesmo nâo oeorre no que se concerne à fertilidade fisica. Na realidade, uma anâlisedetalhada da literatura mostra que a diminuiçâo da fertilidade global ap6s a utilizaçàodo solo é atualmente perceptivel sobre a maioria dos agroecossistemas, mas a evoluçâo

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das propriedades fisicas é menos evidente. Os estudos revelam que a utilizaçâo do soloé acompanhada de uma importante e râpida evoluçâo da sua porosidade em superficie,que se traduz freqüentemente por um aumento da densidade aparente, a quai sobvegetaçâo natural apresenta valores baixos, particularmente nos Latossolos argilosos.Observa-se, também, diminuiçâo da estabilidade estrutural, aumento do teor de argiladispersa em ligua, aumento da resistência à penetraçào e diminuiçâo da condutividadehidràulica,Finalmente, muitos trabalhos mostram a evoluçâo das propriedades fisicas em funçâoda utilizaçâo dos Latossolos, mas os resultados nâo abordam as mesmascaracteristicas, nem sâo igualmente abrangentes. Assim, estes resultados nâo podemser generalizados para outros tipos de Latossolos do Cerrado. Conseqüentemente, 0

papel da evoluçâo das propriedades fisicas dos Latossolos cultivados, na suafertilidade global permanece uma inc6gnita.

Palavras cbaves : Pastagem, densidade aparente, estabilidade estrutural, resistência àpenetraçâo, condutividade hidrâulica, retençâo de ligua, escoamento superficial, erosâo

INTRODUCTION

La région du Cerrado est située entre 2° et 23° Sud et 45° et 63° Ouest. Elle estessentiellement constituée d'écosystèmes de type savane tropicale associés à desformations végétales variées. Cette région correspond en grande partie au PlateauCentral brésilien d'où partent les principaux axes de drainage du Brésil. Ce domaineest celui des grandes formations sédimentaires gréseuses, métasédimentaires et marno­calcaires. Le Cerrado recouvre environ 206 millions d'hectares, ce qui représente unpeu plus de 24 % du territoire brésilien (figure 1), soit en surface le deuxième biomeaprès l'Amazonie. Cela concerne 1027 communes réparties dans 12 états (Pereira etal., 1997).

Les plus anciennes traces d'occupation humaine dans le Cerrado sont datées de11000 à 12000 ans BP (Barbosa et al., 1993); elles correspondent à des populationsamérindiennes ayant précédé celles rencontrées par les Portugais à partir du XVl ème

siècle (Melatti, 2001). A la fm du XVlème siècle, la région est explorée par lesPortugais à la recherche de richesses minérales, de bois et de populationsamérindiennes destinées au marché d'esclaves. Les premières mines d'or sontdécouvertes en 1592. Le peuplement se développe alors dans le Cerrado lors del'exploration des gisements d'or et de diamant au xvn ème et début du xvn1èmc siècle.Ces occupations sont néanmoins discontinues dans le temps et l'espace. A la fin duXIXème siècle, au fur et à mesure que les mines s'épuisent, l'agriculture et l'élevage,jusque là activités de subsistance, deviennent les principales activités économiques(Taunay, 1951 ; Abreu, 1975; Bertran, 1994).

Au XXème siècle, plus précisément à la fin des années 30, la politiquegouvernementale d'intégration nationale ("marche vers l'Ouest") favorise uneoccupation lente mais régulière de la région qui culmine avec la construction deBrasilia en 1960. Cet intérêt porté au Cerrado est à son maximum entre les années 60et 80 avec le développement de grands projets gouvernementaux (Garcia, 1995Rocha et Madeira Netto, 1998).

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200 0 2 0 0 400 Km

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Figure 1 - Le Cerrado et les principaux biomes du BrésilFigure J - The Cerrado and the main biomes ofBrazil.

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142"210

Cerrado

• PantanalForêt amazonienneCaatinga

• Forêt méridionale• Forêt Atlantique• ile de Maraj6

_ _ _ -1- _

Selon Waniez (1992), le Cerrado représentait dans les années 80-90 un "espacefrontière" où les surfaces agricoles et pastorales ne cessaient d'augmenter. Selon lesdonnées du recensement agro-pastoral de 1985, près de 1,1 106 exploitations agricolessont inventoriées pour une surface de 13,5 106 ha, alors que les deux tiers de lasuperficie totale de la région sont déjà privatisés. La structure foncière évoluerapidement. Entre 1970 et 1985 la proportion des grandes exploitations (> 1000 ha)dans la superficie agricole de la région augmente de 72 %. C'est ce type d'exploitationqui a le plus augmenté alors que la surface globale ouverte à l'agriculture n'a varié quede 40 %. Les surfaces sont estimées à 49,5 106 ha de pâturages cultivés (Sano et al.,1999), 13,4 106 ha de cultures annuelles (soja, maïs, haricot, riz, coton pour ne citerque les plus représentées), 2 106 ha de cultures pérennes (canne à sucre, café et citrus)et 4,6 106 ha sont déclarées comme réserves (données Embrapa non publiées). Toutporte à croire que l'on s'approche désormais de la limite foncière potentiellementaccessible, en particulier pour les terres cultivables.

La question aujourd'hui n'est pas d'obtenir de nouvelles surfaces, mais demaintenir, voire d'améliorer le potentiel des surfaces déjà cultivées en limitant lesphénomènes de dégradation du milieu qui sont de plus en plus fréquemment observés(Embrapa Cerrados, 2000). Les Ferralsols (lSSS, 1998 ; Klamt et Van Reeuwijk,2000), Latossolos de la classification brésilienne (Bennema et al., 1959; Embrapa,1999), sont les sols les plus communément cultivés compte tenu de leur situationtopographique (Adâmoli et al., 1986). Par ailleurs, le développement de la mise enculture des Ferralsols a reposé sur une idée simple: on a considéré que les Ferralsolsne présentaient pas de contrainte physique mais en revanche un ensemble decontraintes chimiques essentiellement liées à la nature de la phase minérale.L'approche agrochimique classique pouvait donc assumer la gestion de la mise enculture de ces sols. Force est de constater aujourd'hui que la non prise en compte ducomportement physique de ces sols, tant sous culture pluviale qu'irriguée, posemaintenant des problèmes de gestion des sols. L'objectif de cette contribution est defaire le point sur l'état des connaissances concernant la mise en culture des Ferralsolsdans le Cerrado en s'intéressant plus particulièrement à leurs propriétés physiques et àleur évolution sous culture.

CARACTERISATION DU MILIEU

La végétation natureUe

Le Cerrado représente l'un des sept grands biomes du Brésil (figure 1). 11 estintéressant de remarquer que la distribution des phytophysionomies du Cerrado, àl'échelle de la région, n'est pas induite par la pluviosité, comme c'est le cas dans lessavanes africaines (Eiten, 1972 ; Eiten et Sambuichi, 1996). La végétation présente ungradient physionomique déterminé par trois facteurs édaphiques : la profondeur dusubstrat rocheux, le taux et la durée de la saturation en eau des horizons superficielsdes sols (Furley et Ratter, 1988 ; Oliveira Filho et al., 1989) et le taux de saturation enbases déterminé par la nature de la roche-mère (Furley et Ratter, 1988). Dans unesynthèse récente, Ribeiro et Walter (1998) montrent que la végétation de cette régionprésente des physionomies qui comprennent des formations forestières, des savanesarborées et des savanes herbacées. Les formations forestières correspondent à desforêts galeries, des forêts sèches (forêts caducifoliées) et le Cerradâo (forêt

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xéromorphe à strate arborée dominante où les cimes peuvent être jointives ou trèslégèrement disjointes, la taille des arbres ne dépassant pas, en général, 20 mètres et lastrate herbacée étant quasi absente). Les formations de savanes comprennent leCerrado stricto sensu (savane à strates arborée, arbustive et herbacée bienreprésentées, les arbres et arbustes possèdent des adaptations morphologiques à lasécheresse), les palmeraies sur sols drainés et les «veredas» (palmeraies associées auxzones hydromorphes); les savanes herbacées comprennent le Campo sujo(littéralement "champ sale", où la couverture de la strate arborée ne dépasse jamais6 %), le Campo rupestre (associations liées aux lithosols) et le Campo limpo(littéralement "champ propre", dans lequel la strate herbacée est dominante). LeCerrado est caractérisé par une grande richesse floristique. En effet, on compte plus de1000 espèces d'arbres et d'arbustes et, dans les formations les plus denses, on peuttrouver jusqu'à 150 espèces ligneuses différentes par hectare. Dans cette étudebibliographique, la région du Cerrado correspond au biome comprenant ces différentesphytophysionomies.

Géologie et géomorpbologie

Le craton du socle brésilien date du début du Protérozoïque supeneur(Précambrien) et correspond à l'orogenèse brésilienne, qui s'est produite entre 700 et550 millions d'années (Guimarâes, 1964 ; Petri et Fulfaro, 1983 ; Almeida et Hasui1984 ; Schobbenhaus et al., 1984). On distingue des zones de craton anciennes,séparées par les chaînes brésiliennes, ensembles plissés et métamorphisés (Del' Arco etBezerra, 1988). Dans la région, les formations du Précambrien moyen sont peureprésentées. Par contre, la couverture du craton est essentiellement du Précambriensupérieur (formations Bambui). Ce sont des unités lithologiques constituées d'unconglomérat surmonté d'une séquence de quartzites et de métasiltites (formationParanoâ) et des séquences pélitiques et carbonatées, auxquelles peuvent s'associer dessiltites, argilites, quartzites, ardoises et arkoses (formation Paraopeba). Ainsi lesformations géologiques à l'affleurement sont très anciennes et sédimentaires. De plus,elles ont souvent été affectées par des phénomènes de métamorphisme dans la majeurepartie de la région. Au Paléozoïque se développent les bassins de l'Amazone, duPamaiba (ou Maranhào) et du Paranâ. Dès le Siluro-Dévonien, les processus desédimentation se mettent en place. La région du Cerrado occupe la chaîne de Brasilia,une partie des bassins du Pamaiba et du Paranâ et la partie ouest du craton de Sâo­Francisco. Les paysages de la région sont influencés par l'existence des troisprincipaux bassins versants brésiliens: (i) un axe sud-nord qui alimentent l'Amazone,(ii) un axe nord-estlsud-ouest qui alimente le Paranâ, (iii) et un axe sud puis nord quialimente le Sâo Francisco. Globalement, la région se présente comme une successionde paysages de plateaux faiblement disséqués et de zones fortement disséquées à lasuite d'une phase de rajeunissement avec mise à nu des roches métasédimentaires etignées.

Le climat

Trois critères essentiels permettent de définir le climat du Cerrado (figure 2) : desprécipitations moyennes annuelles situées entre 1200 et 1800 mm (65 % de la super­ficie totale du Cerrado), la durée de la saison sèche qui varie entre trois et six mois etl'existence, pendant la saison humide, d'une courte saison sèche de 5 à 25 jours,

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veranico, dont la probabilité la plus élevée d'apparition se situe entre fin décembre etla première décade de février (Assad et al ., 1993). La température moyenne annuellevarie selon la localisation entre 22 et 26°C. Pour environ 60 % de la surface duCerrado, le climat est de type tropical à saison sèche.

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600 - 800

800 - 1000

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24 - 25• 25 - 26• 26 - 27 21·-

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63· 43·"- - - 1

Figure 2 - Précipitations (a) et températures (b) moyennes annuelles du CerradoFigure 2 - Mean annual precipitation (a) and temperature (b) ofCerrado.

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Les sols

Les principaux types de sols du Cerrado sont des Ferralsols, des AcrisolslLuvisolset des Arenosols qui couvrent respectivement 48,8 %, 15,1 % et 15,2 % de la surface.Les Nitosols n'occupent que 1,7 % de la surface, les Cambisols 3 %, les lithosols7,3 %, les sols Hydromorphes à plinthites 6 % et les Gleysols 2 % (Macedo et MadeiraNetto, 1981 ; Adamoli el al., 1986)(figure 3).

Morphologiquement, les Ferralsols se caractérisent par une faible différenciationverticale des horizons, la présence d'un horizon fortement microagrégé et uneprofondeur importante. Selon la nature des roches, ces sols sont sablo-argileux ouargileux. La teneur en argile est en règle générale très peu variable dans le profil, maisen revanche varie largement entre les Ferralsols, de 6 à 83 % dans J'horizon Bmicroagrégé. Les teneurs en limon varient de 1 à 23 % (Lopes, 1984). Ces solsprésentent une structure grumuleuse à polyédrique, fine ou très fine, microagrégée, trèsstable, mais la macrostructure est en revanche feu exprimée et fragile. Les massesvolumiques sont comprises entre 0,8 et 1,2 g cm' .L'importance relative des différents constituants minéraux est lithodépendante(Volkoff, 1985) et fonction de la position topographique (Curi et Franzmeier, 1984).L'association quartz, kaolinite, gibbsite, hématite, goethite est des plus courantes(Goedert, 1967 et 1973; Motchi, 1977 ; Rodrigues, 1977; Macedo et Bryant, 1987 ;Ferreira el al., 1999). Melo el al. (2001) ont montré que la fraction argile des solsdéveloppés sur des grès et basaltes est effectivement kaolinitique et l'hématite domineparmi les oxy-hydroxydes (16-20 %). En revanche, sur d'autres basaltes et dessédiments argileux, des teneurs élevées en gibbsite (15 à 40 % en masse de la fractionargile) ont été enregistrées (Curi et Franzmeier, 1984; Fontes et Weed, 1991). Dansdes Ferralsols sur métasédiments, la fraction <200 um peut présenter des teneurs engibbsite comprises entre 50 et 68 % (Chapuis-Lardy, 1997). Mesquita Filho et Torrent(1993) ont montré dans une séquence de sols développés sur grès, que la teneur engibbsite augmentait de l'amont à l'aval et atteignait 56 % de la fraction argile au pointle plus bas du versant. Enfin, le taux de substitutions isomorphiques par l'aluminiumest de 15 à 36 % en nombre d'atomes pour la gœthite et de 4 et 17 % pour l'hématite(Kâmpf el al., 1988). Les sables et limons sont essentiellement du quartz dans les solsdéveloppés sur grès et quartzites, du quartz, des micas et des traces de kaolinite pourles sols dérivés de gneiss, et du quartz, de l'ilmenite et des minéraux ferrimagnétiquesgibbsite-gœthite-hématite pour les sols dérivés de roches ultra-mafiques (Fontes el al.,2000 ; Melo el al., 2001).

Les propriétés physico-chimiques des Ferralsols sont étroitement dépendantes descharges de surface de la phase solide. En effet, la charge électrique permanentenégative de la phase argileuse est faible alors qu'elle présente ainsi que les constituantsorganiques et les oxy-hydroxydes des charges électriques variables. Plus de 95 % desFerralsols du Cerrado sont désaturés et acides, avec de faibles valeurs de capacitéd'échange cationique : 7,5 cmol, kg" en moyenne dans les horizons A et seulement3,0 cmol, kg') dans les horizons B. Le pH est généralement compris entre 4,0 et 5,5.La plupart des Ferralsols présentent des taux de saturation en bases inférieurs à 50 %avec une large proportion d'aluminium échangeable (Macedo et Madeira Netto, 1981).Enfin, du point de vue de la croissance racinaire des plantes cultivées, les Ferralsols les

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plus désaturés présentent fréquemment une barrière chimique liée à l'aluminiwnéchangeable et au manque de calcium à partir de 50 cm de profondeur (Lopes, 1984 ;Goedert , 1987).

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Légende

_ Lalossolos (Ferralsols)_ Terras roxas estruluradas (Nilosols)

Solos areno quartzosos profundos (Arenosols)Solos podzolicos (Luvisols etAcrisols)Solos concrecionarios iateriticos (Acrisols)Cambissolos (Cambisols)Solos litolicos e Regosolos (Lilhosols etRegosols)Solos aluviais, solos gley e lateritas hidromorficas (Sols alluviaux non hydromorphes, gleysols et plinlhosols)

Figure 3 - Les principaux types de sols du Cerrado (d'après El\1BRAPA, 1981)Figure 3 - The main soils ofthe Cerrado region (after EMBRAPA. J98J)

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L'AGRO-PASTORALISME

Le type de distribution des précipitations au cours de l'année et les contrainteschimiques naturelles des sols limitent la production fourragère naturelle, aussi bien enterme de qualité que de quantité. À partir des années 70, la surface des pâturagescultivés dans le Cerrado passe de 10 106 ha à plus 45 106 ha (Macedo, 1995). Elleserait aujourd'hui voisine de 49,5 106 ha (Sano et al., 1999). Le remplacement de lavégétation naturelle par des pâturages cultivés a représenté une alternative pouraugmenter la production de viande de la région avec l'introduction d'espèces végétalesfourragères d'origine africaine à forte capacité d'adaptation aux sols et au climat. Onpeut citer essentiellement les différentes espèces des genres Brachiaria (près de 80 %des pâturages cultivés dans le Centre-Ouest), Panicum et Andropogon (Savidan et al.,1985). Par comparaison avec la charge animale existant sur les pâturages naturels celaa permis de la multiplier par un facteur 5 à 10 (Zimmer et Correa, 1993). Les pâturagesnatifs sont aujourd'hui limités à des aires protégées. Une loi a d'ailleurs été adoptée,stipulant que chaque nouvelle exploitation devait conserver au moins 20 % de sasuperficie en végétation naturelle ("Reserva Legal"- code Forestier selon la Loin" 4771 du 07/09/1965).

L'élevage bovin est essentiellement destiné à la boucherie, la production laitièrene représentant que 16 % de la valeur totale de la production du Cerrado (Waniez,1992). L'élevage bovin du Cerrado constitue 40 % du cheptel total du Brésil(Barcellos, 1996), contribuant à hauteur de 33 % à la production de viande brésilienne(Carvalho et al., 1990; Macedo, 1995). Une baisse de productivité des pâturages estenregistrée depuis plusieurs années. Elle concernerait aujourd'hui près de 80 % dessurfaces pâturées (Kluthcouski et al., 1999). Le surpâturage est l'une des causes dudéclin des pâturages, ce problème, bien cerné institutionnellement est encored'actualité mais mal perçu par les producteurs (Costa et Rehman, 1999). Au total, dansles systèmes actuels, l'offre minérale du sol pour la plante est, à moyen terme,limitante et le système sol/plante/bovin est extractiviste (Barcellos et al., 200 1).

Paradoxalement, même si le problème de baisse de productivité des prairiescultivées est institutionnellement pris en compte (programmes de renouvellement,diffusions techniques, etc.), peu d'études ont concerné l'état physique des solslorsqu'ils sont cultivés. Toutefois, si l'on en juge par l'évolution des surfaces cultivées« conventionnelles» transformées en semis direct ces dernières années (2,2 106

hectares) (Séguy et al., 1996), les systèmes producteurs de céréales, soja et cotonrencontrent suffisamment de problèmes sérieux pour contraindre les producteurs àchanger de stratégie. Les contraintes physiques des sols et du milieu sont citées commedes éléments à prendre en compte lors de la mise en culture des Ferralsols. Parmi lesfacteurs naturels, la pente et le degré de dissection du réseau de drainage sont sansdoute les éléments les plus cités dans les documents de vulgarisation de mise enculture et de conservation des sols. Cependant, l'évolution des propriétés physiquesdes Ferralsols après leur mise en culture ferait aussi apparaître une série de contraintesmais celles-ci sont encore aujourd'hui mal identifiées. A cela s'ajoute, dans le cas despâturages, l'épuisement de la fertilité chimique naturelle du sol et la mauvaise gestiondes troupeaux. À partir d'un certain stade, évalué selon leur gestion à 3-5 ans, lespâturages ont une couverture végétale médiocre, le sol est exposé directement ausoleil, aux intempéries et au piétinement. Il en résulterait alors une diminution de lateneur en matière organique, une réduction de l'infiltrabilité de la surface du sol et une

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augmentation de l'érosion (Séguy et Bouzinac, 1999). Pour limiter cette dégradationdes pâturages et remédier à l'état dégradé de vieux pâturages, le système agro-pastoralBarreirâo (Oliveira et al.,1996) a été proposé. Ce système offre la possibilité d'intégrerculture et élevage sur les mêmes surfaces grâce à l'implantation simultanée d'unecéréale destinée à la production de grains lors de la première année et d'une graminéedestinée au pâturage après récolte. Une autre stratégie consiste à transformer peu à peules unités de production bovine en des unités mixtes agriculture/élevage avec desrotations pâturages/cultures à cycles courts (Rippstein et al., 1996 ; Spain et al., 1996;Ayarza et al., 1998; Balbino et Di Stefano, 1999). Une autre option intéressanteconsiste à associer une légumineuse à la graminée (Komelius et al., 1978; Balbino etDi Stefano, 1999; Barcellos et al., 2000). L'utilisation de légumineuses offre en effetune haute valeur nutritive toute l'année, par comparaison aux monocultures degraminées, et une forte restitution azotée au système sol plante (Andrade et Karia,2000).

ETAT STRUCTURAL DES FERRALSOLS

Morpbologie

La structure du sol est profondément transformée dès la mise en culture(Grohmann, 1975 ; Tavares Filho et Tessier, 1997), en particulier lors de l'utilisationd'équipements lourds à disques. En peu de temps, on observe la formation d'unesemelle de labour alors que les outils provoquent une fragmentation élevée de lacouche travaillée qui peut aller jusqu'à une pulvérisation de la structure et une prise enmasse (Castro Filho et Logan, 1991 ; Freitas et al., 1998; Neufeldt et al., 1999). Onobserve en règle générale une augmentation de la masse volumique du sol et laformation d'horizons compacts (Silva et al., 2000, Fregonezi et al., 2001).Blancaneaux et al. (1993) ont étudié un Ferralsol sous une végétation de jachère degraminées âgée de cinq ans, antérieurement travaillée avec un pulvériseur à disques.Ils ont observé sur ce profil que la structure microagrégée en profondeur se transformeen agrégats polyédriques subanguleux fins à moyens dans les horizons superficiels. Ilen résulte une augmentation de la masse volumique qui correspond à l'échellemicroscopique à un fond matriciel plus dense. Sous pâturages, la structure en surfaceest fréquemment moins microagrégée et moins grumeleuse que celle des sols sousvégétation naturelle et se transforme en polyèdres subanguleux (Freitas et al., 1998 ;Fregonezi et al., 2001). Oliveira et al. (2000) ont observé une réorganisationmicrostructurale qui résulte de la coalescence de microagrégats granulaires entre 15 et30 cm de profondeur. Il en résulte une structure massive et compacte que l'on observeau champ après dix années de cultures intensives de plantes à cycle court.

Masse volumique

Nous avons déjà souligné que les masses volumiques des Ferralsols sont faiblessous végétation naturelle (Moraes et al., 1985 ; Sans, 1986 ; Camargo et al., 1988;Brossard et al., 1997). Les sols ayant une teneur en argile supérieure ou égale à 70 %et développés sur roches métasédimentaires et tuffites, ont très généralement desmasses volumiques inférieures à 1 g cm" ; elle est de surcroît relativement constantedans le profil. En revanche, les sols de teneur en argile inférieur à 70 % présentent desmasses volumiques supérieures et variables dans le profil (figure 4).

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Une augmentation de la masse volumique est très généralement observée à la suitede la mise en culture (Moraes, 1984 ; Stone et Silveira, 1978; Kondo et Dias Junior,1999a) (tableau 1). Des valeurs de 1,19 à 1,24 g cm'3 sont enregistrées dans des profilssous Cerrado après un déboisement sélectif et pâturé depuis dix ans (Freitas et al.,1998). La macroporosité est la première à être affectée par ces transformations, avecune évolution marquée dans les horizons superficiels (Borges et al., 1999). Volpe(1998) étudie un Ferralsol de type Latossolo Vermelho-escuro sous un pâturage defaible productivité et observe des masses volumiques de 1,2 g cm" alors qu'elles sontinférieures à 1,1 g cm" sous Cerrado (0-10 cm). La porosité totale a baissé de 4 %, lamacroporosité a diminué de 7 % et la microporosité «50 um) a, quant à elle,augmenté de 2 %. Des résultats similaires ont été observés par Lilienfein et al. (1999)dans des Ferralsols de type Latossolo Vermelho-amarelo.

Masse volumique (g cm.3)

1,71,51,31,10,90,70,5

O+--'---'--L--'---'----'--'--=-'~---'--'---"-"--'---"*-'--'--~~--'---L--'--L--'-I

50

100

Ê~

:;150CD

occ::,ge

Q.

200 -

250-&-13·18 __ 32-41

-e-44-48 __ 54-ll1

.--58-ll8 __ 11-81

__18·82 ........ 19-88

~81-8(

300 -----.---- ---------,

Figure 4 - Exemples de profils de masse volumique de Ferralsols sous végétation native(d'après Camargo et al., 1988)Figure 4 - Exemples of bulk density profiles of Ferra/sois under native vegetation (afterCamargo et al., 1988).

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Tableau 1 - Masse volumiquede Ferralsols du Cerrado (LVA = Latosso Verme/ho amare/o,LE = Latosso Verme/ho escuro, LU = Latosso Una, LR= Latosso Roxo).Table 1 - Bu/kdensity ofFerra/so/softhe Cerrado. (LVA = Latosso Verme/ho omarelo,LE = Latosso Vermelho escuro, LU = Latosso Una, LR =Latosso Rom).

Sol Horizon Argile Cerrado Pâturage Culture Semis direct Référenceem R 100 R,I g cm"

LVA 0-60 31-36 - - 1,16-123 - Stone et Silveira (\ 978)LVA 2-8 46-60 0,66 - 0,84 0,92 Kato (\995)LVA - 66-67 0,84 0,89 0,93 - Neufeldt et al.(1999)LVA - 15-17 1,15 1,23 1,38 -LR 0-80 65-73 0,97-1,19 - - - Sales et al. (1999)LE 0-200 70-81 0.87-1,00 - 0,89-1,10 0,90-0,97 Momes (1984)LE 0-40 79-83 0,94-1,01 - 1,04-1,08 - Stoneretal. (1991)LE 0-40 64-82 0,86-1,02 - 0,94-1,083 -LE 0-40 51-68 1,06-1.10 - 1 12_1,18' -LE 10-50 - - - 1,20-1.35 - Silveira et al. (1994)LE 10-50 - - - 1,17-1,34" -LE 10-50 - - - 1 12_1.31' -LE 0-60 41-44 - - 1,16-1,38" - Stone et al. (1994)LE 0-60 41-44 - - 1,16-1,458 -LE 0-40 48-51 0,88-0,99 - - - Santos (1997)LE 0-40 49-62 - 0,90-1,03 - -LE 0-40 55-57 - - 0,91-1,07 -LE 0-40 39-43 - - - 0,90-1,07LE 0-40 49-62 1,09-1,21 1,17-1,23 - - Volpe (1998)LE 0-20 68-72 0,94-0,99 - 0,96-1,00· - C8IValhO (1998)- 0-225 32-41 1,21-1,32'· - - - Camargo et al. (1988)- 0-239 79-88 0,72-1,02'0 - - -- 0-90 56-68 1,16-1,62 - - -- 0-285 76-82 0,81-0,97 - - -- 0-235 81-84 0,90-0,93 - - -- 0-400 \3-18 1,35-1,42" - - -- 0-156 71-81 0,88-1,03" - - -- 0-205 44-48 1,01-1,21" - - -- 30-180 54-61 1,09-1,36" - - -

LE 0-100 65-72 - - 1,22-1,44 - Frizzoneet Sobrinho(\982)

LE 0-200 71-76 0,88-1,00 - - Momes etai. (1985)LE 0-200 72-75 - - 0,89-1,10 -LE 0-200 72-81 - - 0,90-097LE 0-195 69-79 0,70-0,84 - - - Sans (1986)LE 0-187 67-78 - - 0,70-0,82 -LE 0-40 79-83 0,94-1,01 - 1,04-1,08 - Stoner et al. (1994)LE 0-40 64-82 0,86-1,02 - 0,94-1,08 -LE 0-40 51-68 1,06-1,10 - 1,12-1,18 -LE 0-100 - 0,99-1,24 1,31-1,33 1,23-1,34 1,09-1,36 Freitas et al. (1998)LE 0-20 55-58 0,88-1,10 - - - Spem et al. (2000)LE 0-20 58-61 0,85-1,07'2 - - .LE 0-40 46-50 1,12-1,19'· - - - Freitas et al.(2000)LE 0-40 51 - - - 1,15-1,36LE 0-40 48-52 - - 1,10-1,29 -LE 0-40 36-41 - 1,10-1,33 - -LE 0-40 43-49 1,10-123" - -LE 0-30 58 0,83-085 - 094-1 12 083-106 Beutler et al.(200Ia)LE 0-200 59-71 0,91-1,17 - - - Chagas et al. (1997)LE 0-210 41-59 0,95-1,16 - - -LU 0-200 58-67 0,95-1,10 - - -LU 0-180 50-53 1 07-1 22 - - -- 0-200 68-82 0,82-0,99 0,92-1,00 0,82-1,10 0,83-0,99 Lillienfein et al. (1999)

'campus UFLA, 2Cultivé depuis 13 ans, 'Cultivé depuis 9 ans, 'cultivé depuis 10 ans, lavantl'expérimentation, "après 8 cultures avec le labour à 15 cm, 'après 8 cultures avec le labour à 30 cm,8après 7 cultures avec le labour à 30-35 cm intercaléavec le labour à 15-20 cm, 9cultivé depuis 30 ans,IOanthropisé, "végétation herbacée naturelle, '2Cerrado avec feu, I3pâtumge « dégradé»

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L'évolution de la structure concerne aussi les horizons sous-jacents non travaillés.Ainsi, Freitas et al. (2000) enregistrent des masses volumiques plus élevées sous unpâturage de productivité élevée (1,32 et 1,33 g cm,3dans les horizons 10-20 cm et 20­40 cm, respectivement) que sous un pâturage de faible productivité (1,23 g cm' auxdeux mêmes profondeurs). Sous un système intensif de cultures irriguées, Silveira etal. (1994) observent une diminution de la masse volumique entre 0 et 30 cm; enrevanche, plus en profondeur la masse volumique augmente de 1,18 à 1,31 g cm". Ilsemble bien que les transformations ne soient pas immédiates mais nécessitentplusieurs cycles culturaux (Corsini et Ferrauto, 1999). Les valeurs observées peuventêtre élevées; Frizzone et Sobrinho (1982) enregistrent sous culture (FerraIsol de typeLatossolo Vermelho-escuro) une masse volumique de 1,44 g cm" entre 0 et 20 cm, etde 1,22 g cm,3 entre 80 et 100 cm.

Enfin, il est vraisemblable que l'évolution de la masse volumique ne soit pasindépendante de la nature minéralogique de la phase argileuse des Ferralsols. LesFerralsols kaolinitiques atteindraient plus facilement des masses volumiques élevéesque les Ferralsols riches en gibbsite (Ferreira et al., 1999). L'absence de donnéespubliées pour les Ferralsols de texture sableuse est à relever (tableau 1), alors qu'ilsreprésentent des surfaces cultivées importantes, en particulier à l'ouest, dans l'état dela Bahia et à l'est dans le Mato Grosso do Sul.

Résistance à la pénétration

La résistance mécanique à la pénétration est souvent utilisée au Brésil comme unoutil d'aide au diagnostic pour discuter l'état structural. Toutefois, les valeursrapportées dans la littérature sont difficilement comparables. En effet, les données sontcommentées sans que les seuils de limite de croissance des racines aient étésystématiquement vérifiés. Généralement, on considère qu'à partir de 2 MPa lacroissance racinaire est réduite de moitié. Stoner et al. (1991) ont examiné un Ferralsolcultivé sous irrigation depuis 10 ans avec un labour avec charrue à disques etpulvériseur à disques lourds. Lors de la Il ème année, le sol est soumis à différentstraitements: (1) semis direct, (ii) travail du sol avec un pulvériseur à disques léger, (iii)travail du sol avec un pulvériseur à disques lourds, (iv) travail du sol avec une charrueà disques, (v) travail du sol avec un scarificateur et (vi) travail du sol avec deuxpassages de scarificateur à 90°. La résistance à la pénétration la plus élevée estenregistrée avec le «pulvériseur à disques lourds» (l,84 MPa à 15-20 cm). Larésistance à la pénétration décroît ensuite dans l'ordre «pulvériseur à disques léger»(1,39 MPa à 15-20 cm), «charrue à disques» (1,22 MPa à 20-30 cm), «semis direct»(1,19 MPa entre 10 et 15 cm), «scarificateur» (0,81 MPa à 20-25 cm) et «deuxpassages de scarificateur» (0,69 MPa à 30-35 cm). Précisons que sous Cerrado lavaleur maximum était de 0,39 MPa entre 15 et 20 cm de profondeur (figure 5a).

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Résistance à la pénétration (MPa) Résistance du sol à la pénétration (MPa)

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 0 2 4 6 8

o . 0.,a

,: f 1b

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25 1 1 1 III.g .g ~e ec, __Cerrado c,

40 -e-- pulvériseur é disqueslegers 30 J 1 , :

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--e- pulvériseur é disqueslourds 35 ~ 1 1 o •

501 l » r: -.- scarificalllur

____ charrueé disques 40

__deux passages de scarificalBur

60 1 ......................................................... _........ .............. ............................................................! 45

0 5 10 15 20 25

Teneuren eau (91009")

Figure S - Résistance à la pénétration d'un Ferralsol sous différent mode de gestion (d'après Stoner et al., 1991) (a) et dans un Ferralsol sous pâturage pourdeux années successives (d'après Volpe, 1998) (b),Figure 5 - Resistance ta penetration in a Ferra/so/ under severa/ sail management (afler Stoner et al., 1991) (a) and in a Ferra/so/ under pasture for IWosuccessive years (after Volpe, 1998) (b).

Volpe (1998) étudiant un Ferralsol sous pâturage a observé des valeurs derésistance à la pénétration de 3,14 MPa en surface et 1,67 MPa à 40-45 cm deprofondeur, à des teneurs en eau de respectivement 0,17 et 0,18 g g", L'annéesuivante, il obtient des valeurs de 1,86 et 1,37 MPa, dans les mêmes horizons. Cettefois les teneurs en eau du sol étaient de 0,23 et 0,19 g s:', respectivement (figure 5b).Beutler et al. (200Ia) étudient la résistance mécanique à la pénétration horizontaleentre 5 et 30 cm de profondeur dans un sol Ferralsol argileux et obtiennent des valeursde 0,16 à 0,29 MPa sous Cerrado, de 1,23 à 1,31 MPa sous traitement «pulvériseur àdisques lourds», de 0,47 à 1,2 MPa sous traitement «charrue à disques» et de 1,00 à1,3 MPa sous semis direct. Pour la résistance à la pénétration verticale (jusqu'à30 cm), ils ont obtenu des valeurs de 0,84 à 1,6 MPa, de 1,61 à 2,1 MPa, de 1,80 à2,2 MPa et de 2,54 à 3,0 MPa, pour respectivement les mêmes traitements. Le semisdirect présente une valeur maximum de résistance à la pénétration verticale, à laprofondeur de 15-20 cm, en relation avec les valeurs les plus importantes de massesvolumiques du sol et avec le volume total de pores. Les études montrent une largegamme de variation de la résistance à la pénétration en fonction des techniquesculturales employées. Les valeurs publiées sont cependant des valeurs moyennes sansque la variabilité attachée à chacune d'elles soit précisée. Le caractère significatif desdifférences reste par conséquent difficile à discuter.

Stabilité structurale

Deux principales méthodes sont utilisées en routine. La première, qui a éténormalisée au Brésil (Vettori, 1969), utilise une énergie mécanique importante dedispersion des agrégats par agitation dans l'eau à l'aide d'un barreau. La secondeconsiste en un test de stabilité des agrégats par voie humide, cette méthode est dérivéede la méthode Yoder (1936). Le rôle de la nature des constituants minéraux est à denombreuses reprises mis en avant dans la formation des agrégats et leur stabilité. Il aen effet été montré que 1'hématite et la goethite pouvaient former des microagrégatstrès stables avec la gibbsite, la kaolinite et le quartz (Pinheiro-Dick et Schwertmann,1996). Fereira et al. (1999) montrent que les agrégats de Ferralsols à kaolinitedominante ont une stabilité structurale supérieure à celle d'agrégats issus de Ferralsolsgibbsitiques. Les mécanismes mis en jeu concernent les charges électriques de surfacedes oxy-hydroxydes de fer et d'aluminium. Les conditions de pH, les concentrations etcompositions ioniques de la phase liquide jouent alors un rôle déterminant dans lastabilité des microagrégats (de Brito Galvâo et Schulze, 1996; Hingston et al.• 1974;Sawhney, 1974; Lima et al., 2000). De plus, une grande partie de la garniture ioniquede ces sols est associée à la matière organique qui se trouve elle-même stabilisée dansles microagrégats (Shang et Tiessen, 1997). D'autres auteurs soulignent d'ailleursl'importance de la matière organique associée au fer dans la formation desmicroagrégats (Muggler et al., 1999) ainsi qu'une relation linéaire positive entre lamatière organique associée aux agrégats de taille supérieure à 200 J,1m et leur stabilitéstructurale (Kouakoua et al., 1999). Testant l'effet de l'oxalate et du mélange citrate­bicarbonate-dithionite (CBD), Lima et Anderson (1997) montrent que les agrégats lesplus grossiers (1-2 mm) présentent une plus grande stabilité que les fins (0,125­0,25 mm) lors des deux traitements. Si le faible taux de mise en solution du fer parl'oxalate est attendu compte tenu de la cristallinité des oxy-hydroxydes dans les

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Ferralsols, le résultat obtenu avec le CBD montre que l'accessibilité aux surfaces desoxy-hydroxydes est en partie limitée par des revêtements organiques.

En règle générale, la quantité d'argile dispersable dans l'eau augmente après miseen culture. Par ailleurs, la fragmentation mécanique par les instruments aratoires estaussi mise en avant pour expliquer la désagrégation importante des horizons de surface(Blancaneaux et al. 1993; Carvalho et al. 1999; Westerhof et al.,1999). Dansl'horizon 0-23 cm d'un Ferralsol de type Latossolo Vermelho-escuro, Moraes (1984) aobservé une stabilité d'agrégats plus importante des agrégats> 2 mm sous Cerrado quesous culture. Cette stabilité plus importante n'apparaît pas être en relation avec lamatière organique; il l'explique par l'action mécanique des outils de labour. Beutler etal. (200Ib) ont quant à eux étudié un Ferralsol de type Latossolo Vermelho; lastabilité des agrégats de taille >2 mm dans l'horizon 0-5 cm est liée à la teneur enmatière organique. Cependant, ils énoncent que le labour du sol serait à l'origine de lafragmentation des mottes en agrégats plus petits, de la diminution de la teneur enmatière organique et de l'activité microbienne accompagnant en général la mise enculture.

La composition granulométrique est un élément important à prendre enconsidération. Neufeldt et al. (1999) travaillant sur deux Ferralsols, l'un argileux etl'autre sableux sous différents modes de gestion, ont clairement montré que la teneuren argile exerce une influence positive sur la stabilité des agrégats de taille supérieureà 250 IJm, en particulier ceux de classe de taille 1-8 mm. Ces auteurs observent desteneurs plus élevées en agrégats appartenant à la classe d'agrégats 250-50 IJm pour lesol sableux, par rapport au sol argileux. La mise en culture a une tendance à réduire lataille et la quantité de macroagrégats, néanmoins c'est le système de culture aveclabour qui a les plus faibles teneurs en macroagrégats, ceux-ci étant fragmentés etparticipant aux fractions de tailles < 250 IJm.

Ainsi, la mise en culture entraîne une diminution de la stabilité structurale dansl'horizon superficiel. Cette évolution est sans doute autant le résultat d'unefragmentation due au travail du sol, que celui de l'affaiblissement des forces entre lesconstituants minéraux et organiques suite à l'évolution de l'ambiance physico­chimique lors de la mise en culture (CastroFilho et Logan, 1991; Castro et al., 1999;Fontes et al., 1995).

PROPRIETES MECANIQUES DU SOL

L'ensemble des modifications physiques qui viennent d'être exposées indique queles Ferralsols peuvent présenter une forte susceptibilité au tassement. La connaissancedes domaines de teneur en eau pour lesquels le travail du sol n'entraîne pas decompactage ainsi que celle des pressions pouvant être supportées par les Ferralsolssans que la structure ne soit trop affectée, constituent autant d'éléments qui sontmaintenant pris en compte dans les études. Les essais reposant sur la détermination deslimites de liquidité et de plasticité sont essentiellement révélateurs de différencesétroitement liées à la composition du sol. Cependant, Moraes (1984) étudient unFerralsol de type Latossolo Vermelho-escuro (71 à 81 % d'argile) et mesure desvaleurs de limite de liquidité variant entre 0,43 et 0,52 kg kg" sous cultureconventionnelle, semis direct et Cerrado. Pour les mêmes traitements, les limites deplasticité étaient comprises entre 0,38 et 0,40 kg kg", Il existerait une relation entre le

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mode de gestion et les valeurs de limite de liquidité et de plasticité. Ces différencesenregistrées par Moraes (1984) sont néanmoins faibles.

En revanche, Kondo et Dias Junior (1999a) étudient des Ferralsols de typesLatossolo Vermelho-escuro (33 à 70 % d'argile), Latossolo Vermelho-amarelo (24 à46 % d'argile) et Latossolo roxo (59 et 76 % d'argile, teneur en hématite élevée) quisont soumis à différents modes de gestion. Ils enregistrent des valeurs variant entre0,41 et 0,58 kg kg"l, 0,28 et 0,44 kg kg" pour respectivement les limites de liquidité etde plasticité. Ces deux limites sont corrélées positivement avec les teneurs en argile eten matière organique indépendamment du mode de gestion du sol. L'intervalle deteneur en eau pour lequel le sol peut être travaillé, sans provoquer de dégradationstructurale, décroît dans le sens Ferralsol de type Latossolo Roxo, Latossolo Vermelho­escuro, Latossolo Vermelho-amarelo.

Une autre façon de discuter des propriétés mécaniques d'un sol consiste à étudiersa courbe de compression. Kondo et Dias Junior (1999b) montrent ainsi que la limitede plasticité peut être utilisée comme valeur de teneur en eau maximale au-dessus delaquelle des dommages irréversibles se produisent pour la structure du sol. Au-delà decette limite de teneur en eau, la dégradation de la structure est la plus marquée pour leFerralsol de type Latossolo Vermelho-amarelo et la moins marquée pour celui de typeLatossolo Vermelho-escuro.

Très peu d'études ont été réalisées à ce jour dans le Cerrado et les résultats obtenuspar Moraes (1984) et Kondo et Dias Junior (1999a et b) ne peuvent vraisemblablementpas être extrapolés à l'ensemble des Ferralsols de la région du Cerrado.

PROPRIETES HYDRAULIQUES

Propriétés de rétention en eau

Compte tenu des contraintes climatiques précédemment exposées, on comprendque l'eau joue un rôle majeur sur les propriétés physiques de ces sols. En effet, ils sontsoumis à de fortes alternances de dessiccation-humectation, en particulier lors despetites saisons sèches et lors de la fin de la saison des pluies. L'évapotranspirationsous végétation de Cerrado est de 576 mm an" (Lima et al., 1990). On sait que dansles systèmes cultivés, le taux de transpiration dépend de l'espèce et de la productivité.Le coefficient de transpiration (biomasse sèche/pertes en eau par transpiration) du sojareprésente plus de 700 kg eau kg" de MS et celui du maïs de 300 à 400 kg eau kg") deMS. Franco et al. (1996) montrent que sous végétation native, le potentiel de l'eaudans le sol décroît au delà du point de flétrissement en seulement un mois après l'arrêtdes pluies (fin des saisons des pluies) et cela dans les 50 premiers centimètres.

Les deux tiers de l'eau disponible dans les Ferralsols sont accessibles pour despotentiels matriciels compris entre -0,1 et -1,0 MPa (Wolf, 1975; Lopes, 1977). Laquantité d'eau dans les sols et la disponibilité pour les plantes sont intimement liéesaux caractéristiques physiques, chimiques et biologiques du sol. Lilienfein et al.,(1999) ont observé que les réserves en eau dans les deux premiers mètres du sol étaientcomprises entre 429 et 620 mm pour plusieurs modes de gestion des sols. Ilsremarquent que sous pâturage productif les potentiels matriciels des sols sontsimilaires à ceux de la savane arborée. Moraes (1984) compare les effets de plusieurssystèmes de gestion et montre que les différences de quantité d'eau utile s'expliquentpar des différences de composition des Ferralsols et non par leur mode de gestion

29

(tableau 2). Stone et al. (1994) étudient un Ferralsol de type Latossolo Vermelho­escuro, après sept cultures consécutives, et constatent une augmentation de la quantitéd'eau retenue à tous les potentiels matriciels. Cependant, l'eau disponible pour lesplantes est plus faible de 25 % pour la couche 0-20 cm et de 20 % pour la couche 20­40 cm par rapport à ce qu'elle était au départ.

Tableau 2 - Quantité d'eau utile de Ferralsols du Cerrado. (LVA = Latossolo Vermelho-amarelo,LE =Latossolo Vermelho-escuro, LU =Latossolo Una, LR=Latossolo Roxo).Table l-Available water storage ofFerralsols ofthe Cerrado. (LVA = Latossolo Vermelho-amarelo, LE =Latossolo Vermelho-escuro, LU = Latossolo Una, LR = Latossolo Roxo).

Sol Horizons Argile Quantité d'eau utile (g1oog-') Référence

cm g 100g-' Gerrado Pâturage Culture semis direct. - <18 4,9 · - · Lopes (1977). - 18-35 8,5 - - -- - 3~0 9,8 - -

- >60 9,1 - . ·LVA Q.60 31-36 - · 11,1-18,9 - Stone et Silveira (1978)

LE 0-200 71·81 11,9-16,6 - 8,7·17,2 9,4-17,0 Moraes (1984)LE 0-200 71-76 11,9-16,6 · - Moraes etal. (1985)LE 0-200 72·75 · · 8,70-17,2LE 0-200 72-81 - - . 9,4-17,0LE 0-195 69-79 10,8-15,1 - - · sans(1986)LE 0-187 67·78 - - 12,0-14,6 -- 0-225 32-41 5,0-9,0' · - Camargo etal. (1988)

0-239 79-88 9,7-12,71 - -0-90 56-68 6,2-8,9 · - ·

- 0-285 76-82 6,~12,3 - ·Q.4oo 13-18 5,4-6,32 -1~156 71-81 7,9-10,12 - -

- 0-205 44-48 10,4-14,12 - ·- 30-180 54-61 12,2·15,02 · -

LE Q.60 41-44 · · 9,0-10,63 - Stone etal. (1994)LE Q.60 41-44 - 7,2·8,()4 -LE Q.40 49-62 - 6,~9,2 · Volpe (1998)LE 0-20 68-72 6,1-6,6 - 7,4-8,65 · Csrvalho (1998)

LVA 2-8 46-60 7,0 · 12,0 13,0 Kato (1995)'LE Q.40 48-51 9,2-10,9 - · santos (1997)'LE Q.40 49-62 · 11,~14,9 ·LE Q.40 5~57 · 10,6-12,9 -LE Q.40 39-44 - 10,2·12,5LE 0-118 59-67 10,6-14,4 - · Chagas etal. (1997)'LU 0-106 63-67 13,8-17,2 - ·

-Méthode par centrifugation, 'anthropisé, 2Végétation herbacée naturelle, 3Cultivé depuis 13 ans, 'après 7cultures avec le labour à 30-35 cm intercalé avec le labour à 15-20cm, 5cultivédepuis 30 ans.

30

D'autres auteurs ont abouti à des résultats opposés. Par exemple, Kato (1995) etSantos (1997) qui utilisent la méthode par centrifugation et Carvalho (1998) qui luiutilise des dispositifs pneumatiques montrent une augmentation de la réserve en eaudisponible dans l'horizon 0-20 cm après mise en culture. Par ailleurs des travaux derécupération de pâturages n'ont pas mis en évidence de variation d'eau disponible, parrapport à l'état initial (Volpe, 1998). L'effet de feux répétés qui est souvent invoquécomme cause possible de dégradation des propriétés de rétention d'eau du sol apparaîtêtre en fait sans effet dans l'étude réalisée par Spera et al. (2000). Enfin, Ohba (1999)montre que la courbe de rétention en eau de Ferralsols de types Latossolo Vermelho­escuro et Latossolo Vermelho-amarelo peut être décrite par un polynôme de degré 3,la teneur en eau volumique était aussi reliée à la valeur du potentiel.

La quantité d'eau utile des Ferralsols varie de 4,8 à 18,9 g 100g-1 suivant lesétudes (tableau 2). Cette variation n'est liée ni à la teneur en argile, ni à la massevolumique (figure 6). L'analyse des teneurs en eau aux valeurs de potentiel de -0,1,­0,33 et -1,5 MPa montre une étroite relation avec la teneur en argile (figure 7). Cetterelation est d'ailleurs d'autant plus étroite que le potentiel est faible. On note aussiqu'il existe une différence en fonction de la méthode employée pour fixer la teneur eneau, les teneurs en eau obtenues avec la méthode par centrifugation étant plus élevéesque celles obtenues avec la méthode utilisant une pression pneumatique (figure 7). Ladifférence de teneur en eau entre les deux méthodes apparaît néanmoins être procheaux trois valeurs de potentiel. Ces méthodes seraient par conséquent sans grandeinfluence sur la quantité d'eau utile.

Conductivité bydraulique

Les Ferralsols présentent généralement des valeurs élevées de conductivitéhydraulique à l'état saturé (Ks) en raison de leur structure microagrégée, et ceci mêmelorsqu'ils sont très argileux (Resende, 1985; Resende et al., 1999 cités par Ferreira etal., 1999). Les auteurs font état de variations en fonction du type de sol. Chagas et al.(1997) étudient deux Ferralsols très argileux, l'un de type Latossolo Vermelho­amarelo et l'autre de type Latossolo Una, et enregistrent des valeurs de Ks variant de44 à 72 mm h-I dans les horizons A et des valeurs inférieures en profondeur (140 cm)pour les horizons B (0,14 à 3,3 mm h-\ Ces valeurs enregistrées en profondeur sontinattendues pour des horizons microstructurés. Des valeurs de Ks de 199 à 619 mm h-I

sont en effet observées en profondeur pour des horizons de Ferralsols très argileux(Ferreira et al., 1999). Ks décroît très généralement en surface après mise en culture(Stone et Silveira, 1978). Stone et al. (1994) enregistrent une diminution de Ks de 40 à5 mm h-I et de 55 à 12 mm h-I dans respectivement les horizons 0-20 cm et 20-40 cmaprès 7 années de culture. En revanche, à 40-60 cm de profondeur, elle n'auraitdiminué que de 135 à 124 mm h-I

, ce qui n'est pas significatif. Volpe (1998) analyseun Ferralsol de type Latossolo Vermelho-escuro, sous plusieurs modes de récupérationde pâturage, et mesure des valeurs élevées de Ks (427 à 982 mm h-I

) pour l'horizon desurface en fonction de l'outil utilisé. Une gamme de variation encore plus large (6,6 à95,4 mm h-I

) est enregistrée pour l'horizon de surface par Beutler et al. (200Ia) enfonction des techniques culturales.

31

A l'état non saturé, les valeurs de la conductivité hydraulique calculées à l'aide dela méthode du profil instantané varient de 4,92 10-2 à 6,00 mm h-I pour des teneurs eneau variant de 0,274 à 0,409 cm' cm" (Frizzone et Sobrinho, 1982). Ces valeurs sontsupérieures à celles généralement enregistrées pour d'autres types de sols dans lamême gamme de texture et de teneur en eau. Stone et Silveira (1978) ont cependantobtenul'our un Ferralsol de type Latossolo Vermelho-amarelo des valeurs inférieures:3,8 10- à 85,0 10-2 mm h-I pour les teneurs en eau variant de 0,284 à 0,214 cm' cm"(figure 8).

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0,0 0,5

Teneuren argile (9 1009'1)

1,0

Masse volumique (9 cm-3)

1,5 2,0

Figure 6 - Quantité d'eau utile des Ferralsols en fonction de la teneur en argile (a) et de la massevolumique (b) (d'après Stone et al., 1978; Moraes, 1984; Kato, 1985; Sans, 1986; Camargo et al.,1988 ; Cbagas et al., 1997 ; Santos, 1997 et Carvalho, 1998).Figure 6 - Avai/able water capacity in Ferralsols as a function ofclay content (a) and bulk density (b)(ofter Stone et al.,1978; Moraes, 1984; Kato, 1985; Sans, 1986; Camargo et al., 1988; Chagas et al.,1997; Santos, 1997 and Carvalho, 1998).

32

a Pression pnBumalqulI

50

..a. 30-l"..~ 20

"..c~ 10

y • 0,302. + 16,6

~~~~• 0 _8'D-o -gs'~-

• - {j • ­__ • -;.0 0

_- cr-6ÏlD y = ,3311 + 6,3

R'=O,64 n=40

a

10 20 30 40 50 60 10 60 90 100

o Pression pneumalquB

50-:--;s.!:!! 40

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30~...of" 20..œc..".. 10c.....

y = 0,303. + 13,1

~~&~Q "cp ~--__ •• @ y = 0,33 • + 5,6

- - '(fff) R' = 0,61 ne 43

b

10 20 30 40 50 60 10 60 90 100............................•.....-.....

50 .C.n~illg.u•• C

.g a Preulon pneumalqul!I; 40

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":: 20c.."..c.. 10...

10 20 30 40 50 60 10 60 90 100

Teneuren 8rgl8 (g 100g")

Figure 7 - Teneurs en eau (g lOOg,l) aux valeurs de potentiel de (a) _10'2, (b) -3,3 10'2 et (c) -1,5MPa en fonction de la teneur en argile (d'après Camargo et al., 1988; Chagas et al., 1997; Santos etal., 1997 et Neufeldt et a/., 1999).Figure 7 - Relation between water retention (g /OOg") in the water potentia/ ofthe (a) _/(J.l, (b} -3,3/(J,l and (c) -/,5 MPa and clay content (ofter Camargo et al., /988; Chagas et al., 1997; Santos et a/.,1997 and Neufeldt et al., /999).

33

RuisseUement et érosion

Les principales données disponibles pour les pertes en terre par érosion hydriqueproviennent des travaux de Dedecek et al. (1986) dans la région de Brasilia, deBlancaneaux et al. (1993) et Silva et al. (1997) dans l'état du Goiâs, de Hernani et al.(1997 et 1999) dans l'état du Mato Grosso do Sul et de Baccaro et al. (2000) dansl'état de Minas Gerais. Le tableau 3 résume les principales caractéristiques de cesexpérimentations. La localisation des études peut être considérée commereprésentative des conditions et de la diversité du milieu régional. La gamme devariation des pluviométries annuelles (1100-1600 mm) correspond à plus de la moitiéde la région. Les parcelles sont de type Wischmeier et toutes situées sur des Ferralsols.Les pentes, qui sont de 4-5 %, sont celles les plus fréquemment rencontrées dans leCerrado. Les données de pertes en terre et en eau ont été regroupées dans le tableau 4.L'examen de ces données conduit aux commentaires suivants:

- pour les parcelles travaillées et maintenues nues, les pertes en eau et en terre sontdans tous les cas les plus importantes tout en restant dans une gamme de valeursmoyennes quand on les compare à certaines autres régions du Brésil (Leprun, 1994) ;

- sous cultures de soja et maïs, les pertes sont comparables à celles des autresrégions du sud du Brésil;

- sous pâturages, la protection du sol est pratiquement totale. Les pertes en terresont infimes et représentent moins de 1 % des pertes sur sol nu et seulement quelquespour cent des pertes sous cultures. Les pertes en eau sont très faibles. Elles sont près dedix fois inférieures à celles sous cultures.

On peut expliquer ces faibles valeurs par la structure des Ferralsols qui, commenous l'avons vu plus haut, leurs confèrent une capacité élevée à infiltrer la lame d'eaupluviométrique. Cependant, il ne faut pas perdre de vue que ces données sont obtenuessur des parcelles de petite taille comparée à celle des périmètres cultivés et ne prennenten compte que l'érosion laminaire. Elles laissent de côté les phénomènes d'érosionlinéaire ravinante qui sont aujourd'hui très préoccupants et dont la forme la pluscaractéristique est en ravines (voçorocas). Elles s'observent en particulier dans lespâturages cultivés dégradés par surpâturage. Les tonnages des pertes en terre dues àces voçorocas sont des milliers de fois supérieures à celles provoquées par l'érosionlaminaire.

L'extrapolation des données demeure par conséquent difficile en fonction descontextes pédoclimatiques de l'ensemble du Cerrado. Dans un travail récent, Silva etal. (1999) ont cherché à l'aide de régressions multiples à relier l'érodibilité mesurée auchamp avec les caractéristiques physico-chimiques des horizons superficiels de prèsd'une vingtaine de Ferralsols brésiliens. Les études réalisées montrent que les donnéespédologiques de base, analytiques et descriptives de terrain conduisent fréquemment àune estimation satisfaisante de l'érodibilité.

34

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'" • 60-80 71

080-100 72

0,400,30

lE.Q3 + --, -----,------.J

0,20

Figure 8 - Conductivité hydraulique non saturé pour un Fenalsol de type Latossolo Vermelho­amarelo (<J.-60 cm de profondeur) (d'après Stone et Silveira, 1978) et par un Ferralsol de typeLatossolo Vermelho-escuro (0-100 cm de profondeur) (d'après Frizzone et Sobrinho, 1982).Figure 8 - Unsaturated hydrau/ic conductivity for a red-ye//ow Ferralsol (depth of0-60 cm) (afterStone et Si/veira, 1978) and for a dark-red Ferralsol (depth of0-/00) (after Frizzone et Sobrinho,1982).

35

Tableau 3 - Principales caractéristiques des sites expérimentaux de pertes en eau et en terre de larégion du Cerrado (d'après Lepron et Brossard, 2000).Table 3 - Main characteristics of runoffand erosion plots of the Cerrado region (afler Leprun andBrossard. 2000).

Localisation P (mm) R (EI30ws) Période Parcelle(m2) Sol Pente Traitements testés

(1) (2) (3) (4) (5) (%) (6)PlanaJtina 1600 7897 1977-83 77 LVEd 6 N, S,M,P·Goiânia 1522 8355 1989-93 77 LVEd 4 N,S,M,P

Dourados 1400 6411 1987-95 77 LVEd 3 SIrai de Minas 1 150 7000· 1998-99 10 LRa 5 N,P"

(1) Pluviométrie moyenne annuelle; (2) Facteur érosivité des pluies R de Wischmeier exprimé en mm ha" h,l an'1 ; (3) Période de l'expérimentation; (4) superficie de la parcelle rectangulaire (22 x 3,5 m ou 10 x 1 m) ; (5)LVEd: Latossolos Yermelho-escuro distrofico, LRa: LatossolosRoxo âlico ; (6) N : nu; S : soja; M : maïs; P :pâturage (. Brachariadecumbens;.. Paspa/umnonatum).

Tableau 4 - Pertes en terre et ruissellement dans des différentes sites expérimentaux (d'après Lepronet Brossard, 2000).Table 4 - Soil and water runoffin experimental plots (after Leprun and Brossard. 2000).

Pertes en terre (t ha' an' ) Ruissellement (% P)(1) (2)

Sol Nu

Planaltina 53,00 23,60

Goiânia 46,00 28,90Irai de Minas 5,10 4,30

Movenne 34.70 18.93Soja conventionnel *

Planaltina 9,00 14,50Goiânia 3,50 11,10

Dourados 726 5,20Moyenne 6.59 10.27

Mais conventionnel *Planaltina 29,00 21,30Goiânia 1,40 8,40Movenne 15.20 14.85Pâturage

Planaltina 0,10 130Goiânia 0,07 2,90

Irai de Minas 0,47 0,01

Moyenne 0.21 1,40

(1) total annuel des pertes en sol par érosion laminaire; (2) ruissellement total en % de la pluviométrie moyenneannuelle, • valeur estimée; préparation conventionnelle du sol: labour à disques suivi de deux passages dedéchaumeuse à disques crénelés.

36

CONCLUSION

Il peut sembler paradoxal que pour une région si étendue et où l'activité agricoleest aujourd'hui de première importance pour l'ensemble du Brésil, l'évolution de lafertilité des sols et en particulier de leur fertilité physique ne soit pas mieux connue.

Les Ferralsols qui représentent approximativement la moitié de la surface duCerrado constituent un modèle tout à fait intéressant pour l'étude de l'évolution de lafertilité des sols sous différents systèmes de cultures. Leur fertilité chimique etphysique, qui résulte d'un faible équilibre atteint sous végétation naturelle, est trèsrapidement affectée après mise en culture.

Si la gestion de la fertilité chimique des Ferralsols pour de nombreuses culturesrepose aujourd'hui sur de nombreux travaux, la gestion de la fertilité physique est enrevanche moins bien établie. Dans l'appréciation globale de la fertilité d'un Ferralsol,ce qui revient aux propriétés chimiques et à leurs propriétés physiques est peutdiscernable. Les études révèlent que la mise en culture s'accompagne effectivementd'une importante et rapide modification de la porosité en surface qui se traduitfréquemment par une augmentation de la masse volumique. Une telle évolution setraduit par une évolution des propriétés physiques élémentaires: décroissance de lastabilité structurale, accroissement de la proportion d'argile dispersable dans l'eau,plus faible conductivité hydraulique. Cependant encore trop d'études ne fournissentque des résultats difficilement utilisables en raison des protocoles expérimentauxchoisis (absence de répétition, méthodes de mesures inhabituelles, variations decomposition entre les sols).

Cependant, plusieurs études en cours, qui ne se limitent plus à l'étude de telle outelle propriété mais qui cherchent en revanche à analyser l'évolution conjointe desfonctionnements chimique, physique et biologique de ces sols, devraient permettre deprogresser d'avantage durant les prochaines années.

Remerciements

Les auteurs remercient l'Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuâria (EMBRAPA)pour son soutien financier à M. Luiz Carlos BALBINa lors de son séjour en France, dans lecadre du projet Sols et Pâturages EMBRAPA Cerrados-IRD. Ils remercient également DrEdson Eyji SANa, chercheur de !'Embrapa Cerrados, pour la mise à disposition des cartesclimatiques, M. LEFEBVRE et E. de S. MARTINS pour leur contribution à la réalisation dela carte des sols.

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CHAPITRE 2

COMPORTEMENT DE LA PHASE ARGILEUSE

LORS DE LA DESSICCATION DANS DES

FERRALSOLS MICROAGRÉGÉS : RÔLE DE LAMICROSTRUCTURE ET DE LA MATIÈRE

ORGANIQUE

Les microagrégats des Ferralsols sont considérés comme étant des édifices trèsstables. Tant que les oxy-hydroxydes de fer, qui semblent assurer l'essentiel de lacohésion entre les particules élémentaires de kaolinite, ne sont pas affectés (Pédro etal., 1976; Pinheiro-Dick et Schwertmann, 1996), les microagrégats sont considéréscomme étant stables (Chauvel, 1977), ce dont témoigne le faible taux d'argiledispersable dans l'eau des Ferralsols.

Des études ont cependant montré que les microagrégats tendaient à sedésagréger sans que les oxy-hydroxydes de fer ne soient directement affectés (Santoset al., 1989 ; Hartmann, 1991 ; Chauvel et al., 1991).

L'objectif est ici de montrer que les microagrégats ne sont effectivement pasdes édifices stables, en ce sens qu'ils ne sont pas rigides puisqu'ils se déforment lorsde la dessiccation. La taille très petite des microagrégats ne facilitant pas leur étudedirecte, nous procéderons indirectement en utilisant les propriétés de rétention en eauet les données de la porosimétrie au mercure. Nous montrerons aussi que plusieursunités structurales élémentaires sont présentes et que la matière organique paraît jouerun rôle déterminant dans la déformabilité des microagrégats.

Ce chapitre a été publié dans les Comptes Rendus de l'Académie des Sciences au mois de juin 2001(volume 332, pages 673-680).

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C. R. Acad. Sei. Paris, Sciences de la Terre et des planètes / Earth and Planetary Sciences 332(2001) 673-680@ 2001 Académie des sciences / Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. Tous droits réservésS1251-8050(01)01 593-2IFLA

Géosciences de surface / Surface Geosciences(Pédologie / Pedologyï

Comportement de la phase argileuse lors de la dessiccation dans des

Ferralsols microagrégés du Brésil : rôle de la microstructure et de la

matière organique

Luiz Carlos Balbino" b, Ary Bruand", Michel Brossard", Maria de Fatima Guimarâes"

a Unité de Science du Sol, INRA Orléans, BP 20619, 45166 Olivet Cedex, France.b Embrapa AIroz e Feijâo, BP 179,75375-000 Santo Antônio de Goiàs, GO, Brésil.C Institut des Sciences de la Terre d'Orléans, Université d'Orléans, Géosciences, BP 6759, 45067

Orléans Cedex 2, France.d IRD/Embrapa Cerrados, BP 7091,71619-970 Brasilia, DF, Brésil.C Universidade Estadual de Londrina, Departamento de Agronomia, BP 600 l , 86051-990 Londrina,

PRo Brésil.

Reçu le 19 mars 2001 ; accepté le 21 mai 2001Présenté par Georges Pédro

Abstract - The physical properties of the microaggregates of Ferralsols are still underdiscussion. Two sites were selected for study: in each site, one soil under a nativesavannah (Cerrado) and another one under pasture were studied. Samples wereanalysed in the laboratory by using scanning electron microscopy and mercuryporosimetry and by measuring the water content at -0.1 MPa and -1.5 MPa potential.Results showed the presence of microaggregates 50 to 300 um in size and bigger 500to 1000 um in size. The latter were often packed in dense volumes 2 to 20 mm in sizewhich were numerous in the topsoil under pasture. These dense volumes are casts andwould result from an imbalance in the faunal population as a consequence ofdeforestation. Results showed also a shrinkage of the c1ayey phase for drying and thisshrinkage increased with the carbon content of the soil. These results showed thatmicroaggregates are not rigid fabrics and the significant role of organic matter inphysical properties of the soils studied.

microaggregate / shrinkage / clay / cerrado / organic carbon / termite / cast

• Correspondance et tirés à part.Adresse e-mail: Ary.Broand@orleans.inra.fr

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Résumé - Les propriétés physiques des microagrégats des Ferralsols sont encorelargement discutées. Deux sites ont été sélectionnés et pour chaque site, un sol sousune savane arborée (Cerrado) et un autre sous un pâturage ont été étudiés. Deséchantillons ont été analysés en microscopie électronique à balayage et enporosimétrie au mercure et l'on a mesuré la teneur en eau aux potentiels de -0,1 et-1,5 MPa. Les résultats montrent la présence de microagrégats de 50 à 300 um etd'autres de 500 à 1000 um, ces derniers étant fréquemment assemblés en volumescompacts de 2 à 20 mm. Ces volume denses sont des turricules et leur proportionélevée sous pâturage résulterait d'un déséquilibre dans la faune du sol à la suite dudéfrichement. Les résultats indiquent aussi que les microagrégats ne sont pas desédifices rigides hors de la dessiccation et mettent en évidence le rôle significatif de lamatière organique dans ce comportement.

microagrégat / retrait / argile / cerrado / carbone organique / termite / turricule

Abridged englisb version: Ferralsols that cover large areas under the Tropics have a clayfraction which is mainly low activity clay consisting in kaolinite [10]. Ferralsols show little orno distinct horizonation and their macro-structure is weak to moderate. The ferralic horizonhas typically a strong microstructure that consists in near spherical microaggregates ranging100-200 um in size. Microaggregates are considered as stable to highly stable by manyauthors. Pinheiro-Dick and Schwertmann [17] showed that clay dispersion was completedonly after oxy-hydroxide removal. Thus, the amount ofwater-dispersible clay should be oftenvery low in Ferralsols. However other studies showed that the clay fraction could be easilydispersed [12]. Hartmann [9] showed that dispersion of the micro-aggregates was recordedbecause of the effect of K+as dispersing agent. A recent study confinned that the presence ofmicroaggregates would be a characteristic common to most of Ferralsols [II] but we have\ittle information about the physical properties of the microaggregates. The aim ofthis Note isto discuss the behaviour of the micro-aggregate porosity by comparing the porosity of wetmicroaggregates at -0.1 and -1.5 MPa water potential with its value after drying.

Two sites located in the Brazilian Savannah (Cerrado) were selected for study. Theclimate in the Cerrado region is characterized by distinct wet and dry seasons. One site islocated in the state of Mato Grosso do Sul (Brasilândia) and the other site in the state of Goiâs(Planaltina). The soil developed on Cretaceous sandstone tBaurû group) at the site ofBrasilândia and on meso-neoproterozoic metasediments tParanoâ group) atthe site ofPlanaltina. The soils are Latossolos vermelho [6] or Ferralsols [10]. The soil under two landuses was studied at each site: (i) under a native Savannah (Cerrado) which was a forest and(ii) under a low productivity pasture of Brachiaria decumbens at Brasilândia and ofBrachiaria brizantha cv. Morandû at Planaltina.

The bulk density was measured at several depths. Because of the very low cohesion of thesoil, small undisturbed samples were obtained in the laboratory using copper cy\inders. Theywere used to investigate the pore size distribution and water retained at -0.1 and -1.5 MPapotential. The rest of the samples was air-dried and sieved at 2 mm for physico-chemicalanalyses. We measured the particle size distribution by using NaOH and hexametaphosphatebuffered with NaC03 [3]. Organic carbon content was measured by oxidation and the cationexchange capacity (CEC) using the cobalt-hexamine trichloride method [5]. The Fe and AIbelonging 10 oxides and hydroxides was determined [13]. We measured the specifie watercontent (W in g of water per g of oven-dried soil) at -0.1 and -1.5 MPa water potential. Sixreplications were preformed for every horizon studied. The pore size distribution of thesample was determined in mercury porosimetry in triplicates. The surface tension of mercury

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and its contact angle with the soil material were taken as 0.484 N mol and 130°, respectively.The microstucture was studied also using the backscattered electron emission in scanningelectron microscopy.

Results showed that the clay content slightly increased with depth at Brasilândia site andremains approximately constant at Planaltina site (table). The cation exchange capacitydecreased with depth from 3.3 to 1.8 cmol, kg" at Brasilândia site and from 9.3 to 2.5 cmol,kg') at Planaltina. The organic carbon decreased with depth but it was higher at every depth inthe two soils of Planaltina than in those of Brasilândia (table). The free iron and aluminiumcontent was much higher in Planaltina than in Brasilândia. Scanning electron microscopyshowed the presence of two types of microaggregates: subcircular microaggregates 50 to300 um in size which were juxtaposed and bigger microaggregates 500 to 1000 um in sizewhich were often closely packed in aggregates 2 to 20 mm in size (figure 1). The proportionof microaggregates 50 to 300 um in size increased with depth in the soils studied.Observations showed also that lots of microaggregates 500 to 1000 um in size in closepacking were present between 3 and 40 cm depth in the soil under pasture at Planaltina site. InBrasilândia, a higher proportion of these microaggregates in close packing was also noticedbetween 6 and 12 cm depth under pasture but appeared less developed. In Brasilândia, thewater retained at -0.1 and -1.5 MPa water potential ranged from 0.087 and 0.167 cm' g" andbetween 0.066 and 0.129 cm' g", respectively (table). In Planaltina, the water retained at -0.1and -1.5 MPa water potential ranged from 0.248 and 0.304 cm' s" and between 0.223 and0.246 cm' g'., respectively (table). Mercury intrusion curves showed the presence of twoclasses corresponding to pores with 0.006 < D. < 0.2 um and 0.2 < D. < 360 um, respectively.We will discussed here the volume ofpores with D. ~ 3 um (table).

The microaggregates 50 to 300 um in size correspond to the microaggregates that weredescribed for the ferralic horizon [10] and would result from termite aetivity [7, 15]. Thebigger microaggregates that observed isolated or packed in dense volumes are casts producedby a small geophageous earthworm. The high proportion of these dense volumes between 3and 40 cm depth under pasture at Planaltina site would correspond to physical transformationof the soil. ft would be related to an imbalance in the faunal population as a consequence ofdeforestation. Such an evolution has similarities with the one already recorded afterdeforestation in Amazonia [4]. Under pasture at Brasilândia site, the higher proportion ofdense volume that was recorded between 6 and 12 cm depth would correspond to similarphysical modification. The amount of water retained at -0.1 and -1.5 MPa potential is closelyrelated to the clay content (~ = 0.95 and 0.99 respectively) which is consistent with thelocation ofwater at -1.5 MPa within the pores resulting from the packing of clay particles. At-0.1 and -1.5 MPa, one can consider that the water is retained by pores with equivalent porediameter s 3 and s 0.2 um, respectively [14]. As earlier done [2], we compared the volume ofwater retained at -0.1 and -1.5 MPa and the volume of these pores after drying. Whatever thesoil studied, the volume ofwater retained at -0.1 and -1.5 MPa is higher than the volume ofpores with D. ~ 3 um and 0.2 um, respectively. The pore volume in the dried soil was 3.7 to31.7 % less than the volume ofwater at -0.1 and 6.6 to 29.9 % less than the volume ofwaterat -1.5 MPa thus indicating a shrinkage of the clayey phase for drying. The observations inscanning electron microscopy showed that the proportion of the different types ofmicroaggregates and their packing varied within the soils studied (figure l). Results showedthe lack of difference according to the characteristics of the microstructure thus indicating thatthe shrinkage measured is a property of the c1ayey phase whatever its organisation in thedifferent types of microaggregates. When we analyse the shrinkage intensity between-o.IMPa and the dried state and between -1.5 MPa and the dried state, there is norelationship with the depth and the clay content but a close relationship with the carboncontent (figure 2 a and b). Indeed the shrinkage increased with the carbon content.

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As indicated by the C/N ratio (table), the organic matter can be considered as mainlycomposedby highly transformed organic matter and closely associated with the clayey phase[8]. Thus organicmattermolecules would shrinkduring drying and lead to a closerpackingofthe clay particles thus inducing a shrinkageand a decrease in the pore volume.

The results presented in this paper showedthat microaggregates in Ferralsols are not rigidfabric and shrink for drying. This shrinkage of the microaggregates might occur in the wholerange of water potential should be quantified for a better understanding of the structuredynamics in Ferralsols. Finally, the close relationship that was recorded between theshrinkage intensity of the clayey phase and the carbon content of the soil showed that theorganicmatter play a key role in the physical propertiesof the soil studied.

1. Introduction

Les Ferralsols résultent d'une longue et intense altération et représentent environ750 millions d'hectares dans la zone intertropicale [10]. La fraction argile estcomposée essentiellement de kaolinite et secondairement d'oxy-hydroxydes de fer. LesFerralsols présentent une faible différenciation en horizons et la macrostructure est peudéveloppée, voire absente. Leur microstructure est en revanche très nette etreprésentée par des microagrégats de forme sphérique et de 100 à 200 J.1m de diamètre.Les microagrégats sont considérés par certains auteurs comme étant très stables enraison des forces électrostatiques développées entre les oxy-hydroxydes de fer chargéspositivement et les particules de kaolinite possédant des charges négatives [16]. Ladispersion des microagrégats ne serait alors obtenue qu'après avoir éliminé les oxy­hydroxydes de fer comme enregistré par Pinheiro-Dick et Schwertmann [17] pour desFerralsols du Brésil et du Cameroun. Pour d'autres, en revanche, les microagrégatspeuvent être dispersés après saturation des sites d'échange avec Na+, révélant ainsi quel'argile peut être dispersée en utilisant Na+ comme seul dispersant [12]. Hartmann [9],étudiant des Ferralsols en Côte d'Ivoire, a montré que l'apport d'ions K+ suffit pourdisperser l'argile des microagrégats et conduire à la formation d'une matrice argileusemassive. Une étude des Ferralsols appartenant à la collection de sols du CentreInternational d'Information et de Référence sur les Sols (ISRIC, Wageningen) a permisde comparer des Ferralsols issus d'Amérique du Nord et du Sud, d'Afrique et d'Asie[II]. Cette étude conclut que la présence de microagrégats est bien un caractèrecommun à l'ensemble des Ferralsols étudiés et que ceux-ci résulteraient des effetscombinés de l'activité biologique et d'une composition minéralogique particulière. Enrevanche, aucun élément n'est apporté quant aux propriétés physiques desmicroagrégats honnis leur stabilité élevée lors d'une agitation dans l'eau. L'objectif decette Note est d'apporter des données nouvelles sur les propriétés physiques desmicroagrégats, en particulier sur leurs propriétés de retrait lorsque l'état hydrique dusol varie.

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2. Les sols étudiés

Les sols étudiés sont localisés dans la région du Cerrado. Il s'agit de Ferralsols [II]correspondant à des Latosso verme/ho [6]. Le climat se caractérise par une pluviositéannuelle de 1200 à 1600 mm avec une saison humide et une saison sèche trèsdistinctes, 80 à 90 % de la pluviosité annuelle étant enregistré entre les mois d'octobreet d'avril. Dans un premier site localisé dans l'Etat du Mato Grosso do Sul(Brasilândia, 21° 22' S,52° II' W), deux sols ont été sélectionnés, l'un dans une zonede savane de type Cerrado, et l'autre dans une zone de pâturage de Brachiariadecumbens, semé après déforestation en 1974. Dans un second site localisé dans l'Etatdu Goiâs, deux autres sols ont été sélectionnés (Planaltina, 15° 14' S,47° 42' W), l'undans une zone de savane de type Cerrado, l'autre dans un pâturage de Brachiariabrizantha c.v. Marundû, semée en 1990 après défrichement. Les sols du site deBrasilândia sont développés sur des grès d'âge Crétacé (groupe Baurû) et ceux du sitede Planaltina sur des sédiments métamorphisés d'âge méso-néoprotérozoïque (groupeParanoà). Les sols présentent les caractères morphologiques des Ferralsols : deshorizons difficilement identifiables, une macrostructure très faiblement développée àabsente, et une microstructure très nette sous la forme de microagrégats sub-sphériquesde 200 à 500 J.1m de diamètre. Cette microstructure est néanmoins moins développéedans les sols sous pâturage, en particulier entre 6 et 12 cm de profondeur à Brasilândiaet entre 3 et 40 cm de profondeur à Planaltina.

3. Echantillonnage et méthodes d'étude

Des blocs de dimensions pluri-décimétriques ont été prélevés sur le terrain. Enraison de la très faible cohésion du sol, des échantillons de petite taille ont ensuite étéprélevés à différentes profondeurs dans les blocs à J'aide de cylindres en cuivre de13 cm', Pour chaque profondeur échantillonnée, le reste du bloc a ensuite été séché àl'air et tamisé à 2 mm pour les analyses physico-chimiques. L'analyse granulométriquea été réalisée après destruction de la matière organique avec H20 2 pour les échantillonsprélevés entre 0 et 20 cm de profondeur et dispersion avec NaOH et del'hexamétaphosphate de sodium pour l'ensemble des échantillons [3]. Le carboneorganique a été déterminé après oxydation au bichromate de potassium, la capacitéd'échange cationique à l'aide de la méthode à la cobaltihexammine [5], et le fer etl'aluminium appartenant au réseau des oxy-hydroxydes après extraction par le réactifde Mebra-Jackson [13]. La teneur en eau aux potentiels de -0,1 et -1,5 MPa (W en gd'eau par g de sol séché à l'étuve à 105°C) a été mesurée à l'aide de cellules à pression,les cylindres de cuivre contenant les échantillons ayant été préalablement réhumectéspar capillarité et disposés sur une pâte de kaolinite. La géométrie de l'espace poral aété étudiée par porosimétrie au mercure. La tension de surface du mercure et la valeurde l'angle du contact entre le mercure et le solide sont respectivement égaux à 0,484 Nm-I et 130°. Enfin, à chaque profondeur échantillonnée, des lames minces ont étéconfectionnées, et la microstructure a été étudiée en microscopie électronique àbalayage en mode électrons rétrodiffusés.

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4. Résultats

4.1. Composition des sols étudiés

L'observation à la loupe binoculaire des fractions limon grossier et sable a montré,qu'après dispersion, elles étaient composées de grains de quartz exempts derevêtements argileux et de quelques nodules ferrugineux (2-5 %). Le site deBrasilândia présente des sols sablo-argileux à argilo-sableux alors qu'ils sont argileux àPlanaltina. A Brasilândia, la teneur en argile augmente avec la profondeur dans lesdeux sols étudiés, alors qu'elle est sensiblement constante dans les sols de Planaltina(tableau). La capacité d'échange cationique est la plus élevée dans l'horizon 0-3 cm ettend ensuite à décroître avec la profondeur, de 3,3 à 1,8 cmol, kg' à Brasilândia et de9,3 à 2,5 cmol, kg" à Planaltina. La teneur en carbone organique décroît avec laprofondeur, mais elle est plus élevée dans les sols de Planaltina. Elle demeure voisinede 15 g kil entre 12 et 50 cm de profondeur à Planaltina alors qu'elle est voisine de 4à 8 g kg-' entre 18 et 80 cm de profondeur à Brasilândia (tableau). Le fer extrait par leréactif de Mehra-Jackson est plus élevé à Planaltina (56,1-59,1 g kg-') qu'à Brasilândia(16,1-30,8 g kg"). Quant à l'aluminium extrait par cette méthode, il est aussi plusélevé à Planaltina (10,8-14,6 g kg") qu'à Brasilândia (2,1-3,3 g kg").

4.2. Observations en microscopie électronique

Les échantillons des sols du site de Brasilândia présentent une phase argileuse qui esten partie organisée en microagrégats de section sub-circulaire et de 50 à 300 um dediamètre qui sont juxtaposés aux grains de quartz (figure 1), et pour partie en agrégatsde plus grande taille (2-10 mm) mais aussi de section sub-circulaire. La proportion demicroagrégats et leur netteté augmentent avec la profondeur dans les deux sols étudiés(figure la et c). La compacité de l'assemblage des grains de quartz avec les agrégatsdécroît avec la profondeur. Cette compacité de l'assemblage est particulièrementélevée sous pâturage entre 6 et 12 cm de profondeur.

Les sols du site de Planaltina paraissent composés essentiellement d'argile qui estorganisée sous la forme d'agrégats de différentes tailles (figure Id, e, et j). Commepour les sols du site de Brasilândia, on observe la présence de microagrégats, maisceux-ci appartiennent à deux ensembles: des microagrégats très poreux et d'autresbeaucoup plus compacts. Les premiers sont de plus petite taille (50-200 um) que lesseconds (500-1000 um) et leurs contours sont moins nets. Les microagrégatscompacts sont présents soit isolés et associés aux agrégats de plus petite taille, soitagglomérés en des volumes compacts de grande taille (5-20 mm) au sein desquels ilssont reconnaissables par la présence de vides polyconcaves et de vides planairescourbes à leur périphérie (figure Id). La proportion des microagrégats augmente avecla profondeur dans les deux sols, mais à chaque profondeur elle est plus élevée souscerrado (figure le). Sous pâturage, la proportion des volumes compacts composésd'agrégats est particulièrement élevée entre 3 et 40 cm de profondeur (figure If).

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Figure 1 - Mode d'assemblage des microagrégats observés en microscopie électronique à balayage(mode électrons rétrodiffusés), site de Brasilândia (horizon 3--6 cm sous cerrado, a et b, horizon 75­80 cm sous pâturage, c) et site de Planaltina (horizons 3--6 cm, d, et 75-80 cm, e, sous cerrado, horizon3-6 cm sous pâturage, t). Les vides occupés par de la résine sont en noir ; les plages gris claircorrespondent aux grains de quartz ; les plages gris foncé hétérogènes correspondent à la phaseargileuse et à sa porosité associée (échelle = 500 um).Figure 1 - Microaggregates padang in scanning electron microscopy (back-scattered electrons). siteofBrasilândia (horizon 3--6cm under cerrado, a and b, horizon 75-80 cm under pasture, c) and siteof Planaltina (horizons 3--6 cm, d and 75-80 cm, e, under cerrado, and horizon 3-6 cm underpasture, f). The black areas are voids occupied by resin, the /ight grey areas are quartz grains and theheterogeneous dark grey areas correspond to clay phase and associatedporosity(bar scale = 500 pm).

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4.3. Propriétés de rétention en eau et porosité

Les sols du site de Brasilândia retiennent moins d'eau que ceux du site dePlanaltina (tableau). Pour les sols du site de Brasilândia, la quantité d'eau retenue variede 0,087 à 0,167 cm' gol et de 0,066 à 0,129 crrr' gO( pour respectivement -0,1 et-1,5 MPa. Pour les sols du site de Planaltina, elle varie de 0,248 à 0,304 cm' gol et de0,223 à 0,246 cm' gol pour respectivement -0,1 et -1,5 MPa. Les courbes d'entrée demercure montrent la présence de deux classes de pore, qui correspondent à des poresde diamètre équivalent (De) tel que 0,006 < De< 0,2 um et 0,2 < De< 360 um. Seulsles résultats concernant les pores de De< 3 um seront présentés et discutés dans cetteNote (tableau).

5. Discussion

5.1. Microagrégation et activité biologique

Les microagrégats de section subcirculaire et de 200 à 500 um de diamètre qui ontété décrits dans les sols étudiés correspondent aux microagrégats décrits pour l'horizonferralique [Il] et ils résulteraient de l'activité des termites [7, 15]. Les microagrégatsde plus grande taille, observés isolés ou agglomérés au sein de volumes compacts, sontdes déjections de vers géophages de petite taille en cours de détermination, Lesassemblages compacts d'agrégats sont très abondants entre 3 et 40 cm de profondeursous pâturage dans le site de Planaltina. Dans ce site, le changement de végétation s'esttraduit par une perte de diversité taxonomique de la faune d'invertébrés du sol [1].Celle-ci aurait provoqué une transformation physique du sol suite à la forteaugmentation de la densité d'une espèce de vers comme cela a été observé enAmazonie [4]. Dans le sol sous pâturage du site de Brasilândia, les agrégats de 2 à1°mm de diamètre observés en microscopie seraient l'équivalent des volumescompacts composés de microagrégats dans les sols du site de Planaltina. Leur présenceen plus grand nombre dans le sol sous pâturage serait aussi à interpréter comme étantune conséquence du défrichement et de la mise en culture.

5.2. Stabilité de l'assemblage lors de la dessiccation

On observe une relation étroite et positive entre la quantité d'eau retenue auxpotentiels de -0,1 et -1,5 MPa et la teneur en argile (respectivement ~ =0,95 et 0,99).Ainsi, l'eau retenue à ces valeurs de potentiel peut être considérée comme localiséedans des pores résultant de l'assemblage des particules d'argile. Ces pores sont ceuxcontenus dans les microagrégats. A -0,1 et -1,5 MPa, on peut d'ailleurs considérer quel'eau est retenue par des pores de diamètre équivalent respectivement =:;; 3 et =:;; 0,2 um[16]. Comme réalisé antérieurement [2, 8], nous pouvons comparer le volume d'eauretenu à -0,1 et -1,5 MPa avec le volume de pores de De respectivement =:;; 3 et=:;; 0,2 um déterminé en porosimétrie au mercure.

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Tableau. Caractéristiques physiques et chimiques des sols étudiés: densité apparente (Da) en g cm" ;composition granulométrique et teneur en carbone organique (CO) en g kg" ; rapport carboneorganique sur azote (CIN) ; capacité d'échange cationique du sol (CEC) en crnol, kg- ; teneur enaluminium (AI) et fer (Fe) extrait au citrate-dithionite-bicarbonate en g kg" ; volume de pores dediamètre équivalent < 3 um (Vf <31"") et < 0,2 um (V p <O,2I1'J1) en cm' s" ; teneur en eau à -0,1 MPa(W-o,.) et -1,5 MPa (W~) en cm g' ; *mesure effectuée pour la profondeur 0-7 cm.Table. Physico-chemical analysis of the soils studied: bulk density (D,J in g cm"; particle-size-distribution and organic carbon (CO) in g kg-/; organic-carbon nitrogen ratio (ClN); cation exchangecapacity (CEC) in cmol; kg-/; aluminium (AI) and iron (Fe) extractable with citrate-dithionite-bicarbonate reactant in g kg-/; volume ofpores with equivalent pore diameter < 3/lm (Vp<J p,.) and< 0,2 um in cmJ g 1(Vp<O.2p,.); water content at -0.1 MPa (W.(),/) and -1,5 MPa (W./.JJ in cmJ gO/Y;"measuremem between 0 and 7cm depth.

Profondeur D. Granulométrie um CO C/N pH CEC AI Fe V p <3 11'J1 Vp<O,2~m W~I W~

(cm) <2 2~ 50-50 2000

Brasilândla - Cerrado0-3 0,80 321 86 593 20,1 14,0 3,9 3,1 3,2 27,7 0,108 0,083 0,158 0,1213-6 1,03 353 71 576 14,2 12,7 3,9 2,6 3,3 28,0 0,120 0,102 0,167 0,1296-15 1,03 305 84 611 10,9 12,2 3,9 2,0 3,2 26,6 0,098 0,082 0,143 0,11618-30 1,02 303 111 586 7,5 12,4 4,0 2,4 2,9 27,8 0,100 0,087 0,131 0,10930-40 1,03 310 47 643 0,100 0,08960-80 0,94 365 144 491 4,1 10,9 4,2 2,5 2,8 30,8 0,119 0,105 0,132 0,117

90-100 0,92 432 53 SIS 0,129 0,111

BrasUândia - Pâturage0-3 1,08 186 39 775 14,2 14,7 5,8 3,3 2,1 16,1 0,063 0,046 0,087 0,0663~ 1,17 212 46 742 11,7 13,6 5,3 2,6 2,5 19,0 0,070 0,055 0,089 0,069

10-13 1,22 215 66 719 9,2 14,3 5,2 2,2 2,6 19,9 0,072 0,058 0,091 0,07214-17 221 64 715 7,9 13,3 5,3 2,2 2,3 20,4 0,076 0,065 0,092 0,07518-30 1,21 230 92 678 6,2 13,7 5,2 2,0 2,8 25,6 0,079 0,068 0,096 0,07930-40 1,09 264 47 689 0,085 0,07460-80 1,11 306 59 635 3,6 13,0 5,0 1,8 2,5 22,3 0,104 0,084 0,108 0,093

90-100 1,02 328 44 628 0,100 0,088

Planaltlna - Cerrado0-3 775 123 102 29,2 15,5 5,0 3,7 14,4 56,4 0,238 0,199 0,304 0,2423-6 1,07" 764 131 lOS 24,1 14,3 5,1 2,5 14,6 57,7 0,240 0,208 0,289 0,240

12-15 1,09 792 124 84 18,9 15,0 5,1 2,9 14,1 56,1 0,233 0,206 0,275 0,24627-30 1,13 773 142 85 14,0 14,2 5,3 2,8 14,3 57,2 0,234 0,214 0,271 0,23735-38 1,06 775 136 89 12,5 15,3 5,2 2,8 13,9 57,4 0,239 0,216 0,262 0,237

90-100 1,00 782 140 78 6,7 14,9 5,4 2,5 13,3 57,7 0,246 0,222 0,260 0,238

Planaltina - Pâturage0-3 679 248 73 28,0 17,6 7,0 9,3 10,8 56,7 0,225 0,189 0,292 0,2373~ 1,17" 722 210 68 20,2 15,1 5,7 4,4 Il,9 59,1 0,229 0,191 0.295 0,229

12-15 1,14 737 200 63 16,3 14,1 5,2 3,2 11,7 59,0 0,217 0,194 0,258 0,22925-32 1,21 669 261 70 15,9 13,6 5,2 3,2 Il,8 57,9 0,212 0,196 0,258 0,22333-40 1,21 698 233 69 15,2 13,7 5,2 3,4 12,1 58,S 0,216 0,197 0,248 0,22648-51 1,25 696 234 70 14,4 13,4 5,3 3,0 11,6 57,1 0,218 0,197 0,249 0,223

90-100 1,13 728 205 67 6,3 12,8 5,2 2,5 11,2 58,3 0,226 0,202 0,268 0,229

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Pour les sols étudiés, la teneur en eau à -0,1 MPa est toujours supérieure auvolume de pores de Des 3 um. De même, la teneur en eau à -1,5 MPa est supérieureau volume de pores de De~ 0,2 um. Ainsi, le volume poral est à l'état sec de 3,7 à31,7 % inférieur à sa valeur à -0,1 MPa et de 6,6 à 29,9 % inférieur à sa valeur à-1,5 MPa. On en conclut que le volume de pores de De~ 3 um décroît entre -0,1 MPaet l'état sec; cette décroissance entraînerait une réorganisation du mode d'assemblagedes particules d'argile et, à une échelle moins microscopique, une diminution duvolume des microagrégats et l'apparition de fissures lorsque ceux-ci sont enassemblage compact (figures Id). Bien que la proportion de microagrégats des deuxtypes varie au sein des profils de sol étudiés (figure 1), aucune différence n'a étérelevée en fonction de la proportion de microagrégats des deux types et de leur moded'assemblage. C'est le cas, en particulier, des échantillons provenant des 40 premierscentimètres des sols sous cerrado et sous pâturage, les sols sous cerrado ayant uneproportion élevée de microagrégats à cette profondeur alors que, sous pâturage, lamicrostructure est plus continue et la proportion de microagrégats isolés plus faible.

5.3. Déformation du mode d'assemblage des particules d'argile et teneur encarbone organique

Lorsque l'on analyse la variation du volume de pores de la phase argileuse entreles potentiels de -0,1 et -1,5 MPa et l'état sec, on observe qu'elle n'est liée ni à laprofondeur, ni à la teneur en argile mais en revanche à la teneur en carbone organique(figure 2). La variation du volume de pores croît en effet avec la teneur en carboneorganique des échantillons. Compte tenu des valeurs du rapport C/N (tableau), on peuten déduire que le carbone organique appartient majoritairement à une matièreorganique suffisamment évoluée pour que l'on puisse faire l'hypothèse qu'elle estétroitement associée à la phase argileuse. Des observations en microscopieélectronique à transmission sur des Ferralsols d'Amazonie ont en effet montré qu'unepartie de l'espace interparticulaire était occupé par de la matière organique [8]. Lamatière organique interviendrait directement dans les mécanismes à l'origine de lavariation de volume. Il pourrait s'agir de molécules hydrophiles qui se réorganiseraiententre -0,1 MPa et l'état sec et dont la réorganisation entraînerait une importantediminution du volume de pores au sein de la phase argileuse suite à une évolution versun assemblage plus compact des particules d'argile.

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353025

y =O,0021x + 0,0055

R2 =0,72

•

2015

o

o•

5 10

•

o Brasilândia - Cenado

• Brasilândia - Pâturageo Planaltina - Cenado

• Planaltina - Pâturage

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3525 30

o

y =O,0014x + 0,0056

R2 =0,77

20

o·•

15

•

o•

5 10

o Brasilêndia - Cerrado

• Brasilândia • Pâturageo Planaltina - Cenado

• Planaltina - Pâturage

~":Cl 0,06 .,...---------------------------~=_.,:::'"ltl. fi";" E 0,05<Il :L::>C'!.

.m r; 0,041:1 •CIl C

~ ~ 0,03o Ul> l!!CIl 0

f ~O,02;:'CCIl CIl

2l § 0,01

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~ ~ 000 -1----...,....--------,.....----...,....---....,.----.,.....----!c CIl 'o

Carbone organique g kg"

Figure 2 - Différence entre le volume d'eau retenu à -0,1 MPa et le volume de pores de D, S 3 um àl'état sec (a) et différence entre le volume d'eau retenu à -1,5 MPa et le volume de pores deD, S 0,2 um à l'état sec (b) en fonction de la teneur en carbone organique des échantillons.Figure 2 - Difference between the volume ofwater retained at -o. / MPa and the volume ofpores withD, S 3 um in the dried state (a) and difference between the volume ofwater retained at -/.5 MPa andthe volume ofpores with D, S 0.2 um in the dried state (b) versus the organic carbon content of thesamples.

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Conclusion

Les résultats présentés dans cette Note montrent que le mode d'assemblage desparticules d'argile au sein des micro agrégats de Ferralsols étudiés varie au cours de ladessiccation. Or, la stabilité élevée de ces microagrégats (faible dispersion au contactde l'eau) qui a été mise en évidence dans de nombreuses études permettait de penserqu'il s'agissait d'édifices rigides. Par conséquent, nos résultats indiquent que lastabilité de l'assemblage ne s'oppose pas à sa déformation au cours de la dessiccation.Nos résultats montrent aussi que la déformation de l'assemblage varie indépendam­ment de la morphologie des microagrégats, de leur mode d'assemblage, de laprofondeur et de la teneur en argile. Cette déformation de la phase argileuse lors de ladessiccation, et la diminution de volume poral qui en résulte, sont par conséquent unepropriété physique qui lui est spécifique et de la sorte indépendante de sonorganisation en microagrégats. La déformation de l'assemblage est en revancheétroitement liée à la teneur en carbone organique et elle est d'autant plus élevée que lateneur en carbone organique est élevée. Un tel résultat indique que la déformationserait directement sous la dépendance de la réorganisation de molécules organiqueslors de la dessiccation, lesquelles molécules seraient intimement associées auxparticules d'argile.

Remerciements

Cette étude a été réalisée dans le cadre du projet DERESAM (Dégradation etréhabilitation de savanes cultivées d'Amérique du Sud) de l'Empresa Brasileira dePesquisa Agropecuâria (Embrapa) et de l'Institut de Recherche pour le Développement(IRD).

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CHAPITRE 3

EVOLUTION DE LA POROSITÉ ET DE LA

MICROAGRÉGATION DANS DES

FERRALSOLS : IMPORTANCE DE LA· TENEUR

EN ARGILE ET DE L'AcTIVITÉ BIOLOGIQUE

Dans ce chapitre, nous analysons en détail la structure et la porosité qui enrésulte. Cette analyse porte sur l'ensemble des pores; ceux qui résultent del'assemblage des particules d'argile et des oxy-hydroxydes au sein des microagrégats,ceux qui résultent de l'assemblage des différents types de microagrégats, enfin ceuxqui résultent de l'activité biologique.

Nous cherchons à quantifier les différences de structure et de porosité entre lesol sous végétation naturelle et le sol sous pâturage. Cette analyse confirmeral'importance des structures biologiques et montrera comment elles sont affectées àl'issue de la suppression de la végétation forestière. Enfin, nous comparerons nosrésultats à ceux obtenus antérieurement pour une large gamme de Ferralsols.

Ce chapitre a été proposé à la revue European Journal ofSoil Science. Il a été définitivement acceptépour publication en septembre 2001 et sa parution est prévue dans le premier numéro de 2002.

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Running title: Porosity and microaggregation in Ferralsols

Changes in porosity and microaggregation in clayey Ferralsols

of the 8razilian Cerrado on clearing for pasture

L.C. BALBINO" b, A. BRUANDC, M. BROSSARDd, M. GRIMALDI", M. HAlNosf &

M.F. GUIMARÀEs8

"INRA, Unité de Science du Sol, Centre de Recherche d'Orléans, Avenue de la Pomme de Pin,Ardon BP 20619, 45166 Olivet Cedex, France, bEMBRAPA Arroz e Feijâo, BP 179, 75375­000 Santo Antonio de Goiâs, GO Brazll, c/SrO, Université d'Orléans, Géosciences, BP 6759,45067 Orléans Cedex 2, France, dIRD/EMBRAPA Cerrados, BP 7091, 71619-970 Brasilia,DF Brazil, "IRD/INRA, Unité Sol et Agronomie, 65 rue de St Brieuc, 35042 Rennes Cedex,France, flnstitute of Agrophysics, Polish Academy of Sciences. 20290 Lublin 27,Dos 'wiadczalna 4, Poland, 8Universidade Estadual de Londrina, Department of Agronomy,BP 6001,86051-990 Londrina, PR Brazil.

Correspondance: A. Bruand. E-mail: Ary.Bruand@univ-orleans.fr

Summary

Ferralsols have a macrostructure that is weak to moderate and a strong microstructureconsisting of near spherical microaggregates. We have studied the evolution of thestructure onder changing land use in two Ferralsols onder a native Cerrado and onderpasture sowed after recent clearing by measuring bulk density. We studied themicroaggregates characteristics and resulting porosity using scanning electronmicroscopy and mercury porosimetry, respectively. Microaggregates 50 to 300 um indiameter that are attributed to termite activity. They were in a much closerarrangement from the surface to 1 m depth onder pasture than onder Cerrado. Largermicroaggregates, 500 to 1000 um in diameter, that are closely packed, resulted fromearthworm activity. They were more numerous onder pasture than onder Cerrado.Thus within a few years, clearing and grazing have caused a dramatic decrease inmicrostructure that is one of the rare favorable characteristics of Ferralsols foragriculture. This evolution that affects the subsoil to 80-90 cm cannot be attributed tocompaction by mechanical deforestation alone but seems to result from a change in thefaunal activity in the soil. Finally, the packing of the clay particles within themicroaggregates was similar whatever the type of microaggregate and land use. Ourresults accord with earlier studies showing that the porosity resulting from claypacking varies little in Ferralsols in which the fine material is mainly kaolinite.

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Evolution de la porosité et de la microagrégation dans des Ferralsols argileux du

Cerrado Brésilien après déforestation et installation d'un pâturage.

Résumé

Les Ferralsols possèdent une macrostructure qui est faiblement à modérémentdéveloppée et une microstructure très nette sous la forme de microagrégatsapproximativement sphériques. Nous avons étudié l'évolution de la structure lors d'unchangement de mode d'usage du sol dans deux Ferralsols argileux sous végétationnaturelle de type Cerrado et sous pâturage semé après déforestation. Nous avonsmesuré la densité apparente et décrit la microstructure et la porosité qui en résulte enmicroscopie électronique à balayage et en porosimétrie au mercure. Des microagrégatsde 50 à 300 um de diamètre ont été attribués à l'activité des termites; leur assemblageest plus compact jusqu'à 1m de profondeur sous pâturage que sous Cerrado. Desmicroagrégats de plus grande taille, de 500 à 1000 um de diamètre, et en assemblagecompact ont aussi été observés. Ils résultent de l'activité de vers de terre et sont plusnombreux sous pâturage que sous Cerrado. Ainsi en quelques années, la mise en placed'un pâturage après déforestation a pour effet une décroissance importante de lamicroagrégation qui est l'une des rares caractéristiques favorables des Ferralsols pourl'agriculture. Cette transformation qui affecte le sol en profondeur ne peut pas êtreattribuée à un compactage lors la déforestation mécanisée mais apparaît être enrevanche la conséquence d'une évolution de l'activité de la faune du sol. Enfin, laporosité résultant du mode d'assemblage des particules d'argile au sein desmicroagrégats ne varie pas en fonction de la texture, du type de microagrégat et dumode d'utilisation du sol. Nos résultats sont en accord avec ceux publiésantérieurement qui ont montré que cette porosité est peu variable pour des Ferralsolsd'origine et de texture très différente dès lors que la fraction fine est essentiellement dela kaolinite.

Introduction

Ferralsols have a ferralic horizon at sorne depth between 30 and 200 cm that resultsfrom long and intense weathering. Their clay fraction is usually mainly low-activityclay consisting of kaolinite. The silt and sand fraction consists of highly resistantminerais including anatase, hematite, gibbsite and quartz. Ferralsols show little or nohorizonation, and their macrostructure is weak to moderate. On the other hand, theyhave typically a strong microstructure. Microaggregates are near spherical, rangingfrom 80 to 200 um in size usually. They correspond to the 'pseudosand', 'micropeds','granules' which were described earlier by Kubiena (1950), Brewer (1964) andTrapnell & Webster (1986), respectively.

Since Ferralsols have no or little macrostructure, their porosity is closely related to thearrangement of microaggregates and the packing of clay particles within themicroaggregates with a contribution of large pores resulting from root development

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and macrofaunal activity. Ferralsols were described for a wide range of texture, but wedo not know to what extent the porosity varies according to texture. Hartmann (1991)studied sandy-clay to clayey-sand Ferralsols developed on lagoono-fluvial sedimentsin Ivory Coast and showed that microaggregation was easily affected by both tillageand fertilization. Colleuille (1993) studied sandy-clay Ferralsols developed on deeplyweathered sediments in Senegal and showed that microaggregation depended on thecurrent soil water regime. Chauvel et al. (1991) showed that the padang of kaolinitewithin the microaggregates would have increased in clayey Ferralsols after clearingnative vegetation because of both a mechanical and suction effect of roots of theleguminous crops. Finally, Tavares Filho (1995) studied tilled clayey Ferralsolsdeveloped on basalts in Brazil and showed that the microaggregate arrangementcloseness both in the topsoil and subsoil was affected by management practices.

We have studied the porosity of Ferralsols varying in their texture and land use andanalysed the porosity in relation to microaggregation development. We compare ourresults with those in the literature and show that, although there is a wide range ofporosity resulting from microaggregate development and arrangement, the porosityresulting from the packing of clay particles within microaggregates varies little in theFerralsols reported in the literature.

The soils

Two sites in the Brazilian Savannah biome (Cerrado) were selected for study. Thesoils here are Latossolo vermelho in the Brazilian classification (EMBRAPA, 1999)and Ferralsols according to the ISSS Working Group R.B. (1998). One site is 13 kmSouth of Brasilândia in the state of Mato Grosso do Sul (21°22"S, 52°1l'W). Itselevation is 450 m. Mean annual rainfall ranges from 1500 to 1750 mm with 4 monthswith no rain. The soil developed in deeply weathered Cretaceous sandstone (BaurûGroup). It is sandy-clay showing little horizonation, with a weak macrostructure and amicrostructure consisting of near-spherical microaggregates of which the developmentincreased with depth. We studied it under two land uses: (i) under a native Cerradowhich is an association of tree, shrub and herbaceous species and (ii) under a low­productivity pasture sowed by aeroplane in 1975 with Brachiaria decumbens after thenative vegetation had been cleared and burned in 1974. The other site is 30 km Northof Planaltina de Goiâs in the state of Goiâs (15° 14'S, 47° 42'W). The elevation is825 m. Mean annual rainfall ranges from 1100 to 1200 mm with 4 to 6 months with norain. The soil developed in fine textured and deeply weathered Meso-neoproterozoicmetasedimentary rocks (Paranoà Group), which in tum derived from the erosion ofPrecambrian materials. It has a clay texture and showed little horizonation, a weak orno macrostructure and a strong microstructure with near-spherical microaggregates.Again, we studied two land uses: (i) under a native Cerrado and (ii) under a lowproductivity pasture sowed in 1990 with Brachiaria brizantha cv. Marandû after thenative Cerrado had been cleared in 1989 and lime applied on the surface.

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Sampling and methods

We described the structure in the field and measured the bulk density at several depthsin each soil studied using cylinders 522 cm' in volume. Large undisturbed sampleswere collected and stored in sealed plastic bags at 5-6°C in cooled rooms to avoid lossof water and to reduce biological activity. From these large undisturbed samples, smallundisturbed samples were obtained in the laboratory using a copper cylinder 9 cm' involume to investigate the pore-size distribution. The rest of the sample was air-driedand sieved to pass 2 mm for physical and chemical analyses. We measured the particledensity using agas Micromeritics Pycnometer 1305. The particle-size distribution wasdetermined on soil dispersed by adding 20 g of < 2 mm soil to 100 ml of water with10 ml of M NaOH and 10 ml of a M hexametaphosphate solution buffered withNa2C03 (Camargo et al., 1986). For the samples collected from 0 to 20 cm depth, weremoved organic matter with H202 prior to dispersion. The suspension was thenagitated for 12 hours. The < 2-l.lm and 2-20-l.lm fractions were obtained by the pipettemethod. Particles with diameters larger than 50 um were collected by sieving and thenseparated by successive sieving to separate the 50-200- and 200-2000-llm fractions.The 20-50-llm fraction was estimated as the difference between the sum of thedifferent measured fractions expressed as %0 and 1000. The silt and sand fractioncollected was observed under the light microscope to check the lack of clay andconsequently the effectiveness of the dispersion treatment. Organic carbon content wasmeasured by oxidation using an excess amount of potassium bichromate in sulfuricacid at 135°C (Baize, 2000). The pH was measured at 25°C in a soil:solution ratio of1:2.5 (Baize, 2000). We measured the cation exchange capacity (CEC) using thecobalt-hexamine trichloride method (Ciesielski & Sterckeman, 1997). The Al and Fecontents were measured after extraction with hydrofluoric acid (Baize, 2000) andextraction with Na-dithionite-citrate-bicarbonate (DCB) reactant at 80°C (Mehra &Jackson, 1960). The NrBET surface area was measured on soil < 2-mm ground gentlyto material < 500-l.lm and after drying at 150°C for 24 hours using the MicromeriticsASAP 2000. The results were expressed on a 105°C oyen-dry gravimetrie basis.

We determined the pore-size distribution using mercury porosimetry which enables themeasurement of both the pressure required to force mercury into the voids of a drysample and the volume of intruded mercury at each pressure. If the pores arecylindrical then the relation between equivalent pore diameter De (expressed in um)and applied pressure P (expressed in Pa) is

De = -4(rcos B) / P,

where rand 8, respectively, are the surface tension of mercury and its contact anglewith the soil material. The values of rand 8 were taken as 0.484 N m-I and 130°,respectively (Fiès, 1984). The pore-size distribution was determined for P, whichoperates from 4 kPa to a pressure of 200 MPa, equivalent to pores with De rangingfrom 360 down to 0.006 um, respectively. Our experiments were performed usin atheMicromeritics 9310 in triplicates with clods 6-7 cm' in volume after oven-drying at105° C for 24 hours.

We examined also porosity and microstructure by scanning electron microscopy(SEM, Cambridge 90B). We impregnated undisturbed samples with a polyester resin

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that was diluted with styrene monomer and left 4 weeks to ensure completepolymerisation. Thin sections 4.5 cm x 6 cm were made following the method ofFitzPatrick (1984), and polished with diamond grains of decreasing size and coatedwith carbon (Bruand et al., 1996). Then, they were examined in SEM using theemission ofbackscattered electrons.

Results

Structure description in the field

At the Brasilândia site, the soil under the Cerrado had a moderate crumbmacrostructure from the surface to 3 cm depth, a weak crumb macro structure from 3 to15 cm depth, and a weak medium polyhedral macro structure from 15 to 40 cm depth.The soil under the pasture had a strong platy macrostructure from the surface to 3 cmdepth, a small to medium weil developed blocky macrostructure from 3 to 17 cm depthand a moderate blocky structure from 17 to 40 cm depth. Microaggregates wereassociated with this macrostructure. They were mainly in biological channels andvughs. From 40 to 100 cm the soil under both kind cover appeared to have a massivemacrostructure, but it had strong microstructure with spherical aggregates ofdiameter50 to 300 um, Numerous large channels and chambers resulting from termite and antactivity were present. There were more earthworms casts under pasture than underCerrado. At Planaltina de Goiàs, the soil under the Cerrado had a weil developedcrumb macrostructure from the surface to 6 cm depth, a moderate to weak crumbmacrostructure from6 to 20 cm, a weak medium polyhedral macrostructure from 20 to40 cm depth and no macrostructure from 40 to 100 cm depth. Under the pasture thesoil had a strong platy structure from the surface to 3 cm depth, a small to mediumweil blocky structure from 3 to 18 cm depth, a weak subangular blocky macrostructurefrom 18 to 46 cm depth and no macrostructure from 46 to 100 cm depth. The blockystructure corresponded to earthworm casts in a close packing. Microaggregates wereobserved in the tirst 30 cm associated to the macrostructure and located mainly inbiological channels and vughs. Deeper in the two soils, microagregation wasgeneralised with weil developed spherical microaggregates 50 to 300 um in size.Numerous large channels and chambers resulting from ant and termite activity werepresent.

Bulk density

At Brasilândia, the bulk density of the top 3 cm of soil was 0.80 under Cerrado and1.08 g cm ,J under pasture (Table 1). It was about 1.03 g cm" under Cerrado from 3 to40 cm depth and ranged between 1.17 and 1.22 g cm" from 3 to 30 cm under pasture.Deeper in the profile, the bulk density was about 0.93 g cm" under Cerrado andranged from 1.02 to 1.11 g cm -J under pasture. At Planaltina de Goiâs, the bulk densityincreased with depth from 1.07 to 1.13 g cm" in the first top 30 cm under Cerrado andfrom 1.17 to 1.25 g cm" in the tirst top 55 cm under pasture with a somewhat smallerdensity at 10-17 cm depth (Table 1). Deeper in the soil, the bulk density decreasedwith depth at the two sites.

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Table 1 Physical and chemical charaeteristics ofthe soils.

Depth v.,' Db Particlesize OC' CEC' AI2O, l'e20 , AI20J Fe20J BET-p

distribution(um) N2

2- 50 - HF" DCB' surface

Mean SES <2 50 2000 area

lem __ /g cm"__ ---/gkg-'--- /cmol, kg" --- Ig kg" --- 1m2 s"

Brasilândia- Cerrado~3 0.80 0.02 2.61 321 86 593 20.1 3.1 103.5 44.1 6.1 39.5 11.4

3-6 1.03 0.02 2.60 353 71 576 14.2 2.6 105.7 43.9 6.3 40.0 14.1

6---15 1.03 0.01 2.62 305 84 611 10.9 2.0 100.5 42.0 6.1 38.0 13.7

18-30 1.02 0.01 2.62 303 III 586 7.5 2.4 104.4 44.6 5.5 39.7 12.8

3~0 1.03 0.04 2.63 310 47 643 14.4

6~0 0.94 0.04 2.66 365 144 491 4.1 2.5 131.6 54.9 5.3 43.9 16.6

9~100 0.92 0.03 2.67 432 53 515 18.4

Brasilândia- Pasture~3 1.08 0.02 2.60 186 39 775 14.2 3.3 57.5 27.5 4.0 23.0 6.9

3-6 1.17 0.08 2.59 212 46 742 11.7 2.6 66.2 31.3 4.8 27.2 7.4

1~13 1.22 0.02 2.63 215 66 719 9.2 2.2 71-7 32.5 4.9 28.5 8.8

14-17 2.62 221 64 715 7.9 2.2 73.4 34.1 4.4 29.2 9.1

18-30 1.22 0.04 2.62 230 92 678 6.2 2.0 80.3 36.2 5.3 36.5 10.1

3~0 1.09 0.03 2.62 264 47 689 10.8

so-so 1.11 0.09 2.66 306 59 635 3.6 1.8 102.7 46.1 4.8 31.8 13.4

9~100 1.02 0.06 2.63 328 44 628 15.0

Planaltinade Goiàs - Cerrado~3 775 123 102 29.2 3.7 30 \.4 94.7 27.2 80.5 38.7

3-6 1.07' 0.02 2.58' 764 131 105 24.1 2.5 297.2 95.0 27.6 82.3 39.5

10-17 \.09 0.01 2.64 792 124 84 18.9 2.9 308.5 96.0 26.6 80.1 40.2

25-32 1.13 0.03 2.64 773 142 85 14.0 2.8 323.0 97.7 26.9 81.7 40.2

33-4û \.06 0.02 - 2.64 775 136 89 12.5 2.8 315.4 98.8 26.3 8\.9 40.1

9~loo \.00 0.01 2.69 782 140 78 6.7 2.5 334.7 103.2 25.1 82.4 44.7

Planaltinade Goiàs - Pasture~3 679 248 73 28.0 9.3 258.0 97.5 20.4 80.9 33.7

3-6 1.17' 0.03 2.61' 722 210 68 20.2 4.4 270.0 98.8 22.5 84.4 35.3

1~17 1.14 0.02 2.66 737 200 63 16.3 3.2 283.2 97.7 22.1 84.3 34.8

25-32 1.21 0.02 2.67 669 261 70 15.9 3.2 275.3 100.5 22.3 82.7 35.5

33--40 \.21 0.02 2.66 698 233 69 15.2 3.4 276.6 99.0 22.9 83.6 35.9

48-55 \.25 0.01 2.67 696 234 70 14.4 3.0 275.5 102.8 21.9 81.5 38.3

9~100 1.13 0.02 2.68 728 205 67 6.3 2.5 278.4 99.6 21.1 83.3 40.3

'Bulk density. bparticle density (SE:s 0.01). 'Organic carbon. 'tation exchange capacity. "Hydrofluoric acid.fDithionite-citrate-biocarbonate. SStandard error, 'Determined for the whole layer 0-7 cm.

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Scanning e/ectronmicroscopy

Scanning electron microscopy showed two types of microaggregates: subspericalmicroaggregates 50 to 300 um in diameter of which the packing closeness variedbetween horizons and bigger microaggregates, 500 to 1000 um in diameter, whichwere often closely packed into larger aggregates 2 to 20 mm across (Figure 1). In thesoil at Brasilândia, sand grains were mostly too coarse to be included within themicroaggregates (Figure la & c). In contrast, at Planaltina de Goiàs, most of sandgrains were fine and were included in the microaggregates (Figure 1b & d),

Figure 1 Microaggregates in scanning electron microscopy (backscattered electron scanningmicrograph from thin sections). Site of Brasilândia: (a) horizon 75-80 cm under Cerrado, (c) horizon3--6 cm under Cerrado; Site of Planaltina de Goiâs: (b) and (d), horizon 3--6 cm under Cerrado. Theblack areas are voids occupied by resin, the Iight grey areas are quartz grains and the heterogeneousdark grey areas correspond ta clay particles (scale bar: 500 um).

The proportion of microaggregates 50 to 300 um in diameter increased with depth inboth soils. There were many fairly closely packed microaggregates 500 to 1000 um indiameter between 0 and 40 cm in the soil under pasture at Planaltina de Goiâs. Butthey were more closely packed at 0-3 cm under pasture than under Cerrado (Figure 2e& f). Microaggregates 500 to 1000 um in diameter in a close packing were alsopresent much deeper in the two soils (Figure 2g & h). At Brasilândia, there was agreater proportion of the microaggregates 500-1000 um in diameter in close packingbetween 6 and 12 cm depth under pasture.

73

Soi! composition

Under the optical microscope the silt and sand fractions appeared as clean quartzgrains with 2-5 % of iron-rich nodules.The clay content increased with depth in the soil at Brasilândia, whereas at Planaltinade Goiâs, the clay content remained fairly constant down to the profile (Table 1). Thesilt content was much smaller at Brasilândia than at Planaltina de Goiâs, The CEC wasthe greatest in the horizon 0-3 cm and decreased with depth, from 3.3 to 1.8 cmol, kg"at the Brasilândia and from 9.3 to 2.5 cmol, kg" at Planaltina de Goiâs, The DCB­extractable Fe203 was much greater at Planaltina de Goiâs (80.1 - 84.4 g kg'l) than atBrasilândia (23.0 - 43.9 g kg") (Table 1). The DCB-extractable Fe203 was >80 % ofthe total Fe203 extracted with HF at the two sites. The DCB-extractable Ah03 wasalso much greater at Planaltina de Goiâs (20.4 - 27.6 g kg· l

) than at Brasilândia (4.0 ­6.3 g kf'

I) . At Brasilândia, the NrBET surface area increased with depth from Il.4 to

18.4 m g.1 under Cerrado and from 6.9 to 15.0 m2s" under pasture (Table 1). InPlanaltina de Goiâs, it increased from 38.7 to 44.7 m2g'] under Cerrado and from 33.7to 40.3 m2 g'] under pasture.

Mercury porosimetry

At Brasilândia, the total volume of mercury intruded for 0.006 < De < 360 um (Jf..Jranged from 0.279 to 0.395 cm' s' under Cerrado and from 0.212 to 0.327 cm g']under pasture (Table 2). At Planaltina de Goiâs, Vp,m ranged from 0.417 to0.548 cm' s" under Cerrado and from 0.369 to 0.429 cm3g.1 under pasture. Thecumulative mercury intrusion curves showed two pore volumes and were analysed asproposed by Bruand & Prost (1987) (see Figure 4, p. 465). Thus two classes of pores,A and B, corresponding to pores with 0.006 < De< 0.20 um and 0.20 < De< 360 um,respectively, were identified (Figure 3). The maximal of the derivative curve enabledus to identify the modal pore diameter of the class of pores A (De,;.) and B (De,B)' Thevalue of De,A was 0.023 um at Brasilândia and ranged from 0.025 to 0.028 um atPlanaltina de Goiâs. The value of De,B ranged from 18 to 64 um and from 37 to147 um in Brasilândia and Planaltina de Goiâs, respectively. The volume of pores B(Vp,B) tended to increase with depth at Brasilândia under Cerrado and pasture, the 0-3cm depth under pasture excepted. At Planaltina de Goiâs Vp,B was almost constant withdepth and greater under Cerrado at every depth. At both sites, Vp,B was greater underCerrado than under pasture at every depth except at 0-3 cm under pasture atBrasilândia. The volume of pores A (Vp,A) roughly increases with depth under Cerradoand clearly increased with depth under pasture at Brasilândia. It increased slightly withdepth under Cerrado and pasture at Planaltina de Goiâs, At both sites, Vp,A was greaterunder Cerrado than under pasture at every depth.

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Figure 2 Microaggregates packing in scanning electron microscopy (backscattered electron scanningmicrograph from thin sections). Site of Brasilândia: (a) and (b) horizon 0-3 cm onder Cerrado andpasture, respectively; (c) and (d) horizon 75-80 cm onder Cerrado and pasture, respectively; (e) and(t) horizon 0-3 cm onder Cerrado and pasture, respectively; Site of Planaltina de Goiàs: (g) and (h)horizon 90-100 cm onder Cerrado and pasture, respectively. The black areas are voids occupied byresin, the Iight grey areas are quartz grains and the heterogeneous dark grey areas correspond to clayparticles (scale bar: 500 um),

75

0.8 a 0.8

0.7 0.7";"

..,01 0.6 0.6E t::l~0.5 0.5 -Q)

~E~ ...J"'5 0.4 0.4 <1> sc:0 0.3 0.3"in <1.5

0.2 0.2.5

0.1 0.1

0 0

0.001 0.01 0.1 10 100 1000

0.8 b 0.8

0.7 0.7";"

..,01 0.6 0.6ErPa;$J t::l~

0.5 0.5 -Q)

8'E~ ...J"'5 0.4 0.4 <1> sc:.Q 0.3 0.3U) <1.5.5 0.2 0.2

0.1 0.1

0 00.001 0.01 0.1 10 100 1000

Equivalent diameter IlJm

Figure 3 Cumulative mercury intrusion curve and pore volume distribution as a function of thecalculated equivalent pore diameter of the 90 - 100 cm layer under Cerrado located either at thesite of Brasilândia (a) or at the site of Planaltina de Goiâs (h).

76

Table 2 Results ofMercury porosimetry,

Depth Vp,ma

Vp,Ab Dm,Ac

Vp,Bd

Dm,Be

Mean Mean SE' Mean SE Mean SE Mean SElem --/em3 g'I_- -/Jim- -/em3g' l - -/Jim-

Brasilândia - Cerrado0-3 0.279 0.090 0.005 0.023 <0.001 0.189 0.004 50 43-6 0.298 0.101 0.001 0.023 <0.001 0.196 0.008 28 <1

6-15 0.341 0.088 0.002 0.023 <0.001 0.256 0.005 64 418-30 0.343 0.092 0.001 0.023 <0.001 0.252 0.004 50 1030-40 0.369 0.089 0.004 0.023 0.001 0.280 0.008 42 <160-80 0.395 0.106 <0.001 0.023 <0.001 0.290 0.013 42 <1

90-100 0.367 0.112 0.001 0.023 <0.001 0.255 0.008 38 5

Brasilândia - Pasture0-3 0.255 0.046 <0.001 0.023 <0.001 0.209 0.008 25 23-6 0.217 0.055 <0.001 0.023 <0.001 0.162 0.004 18 <1

6-15 0.212 0.058 0.001 0.023 <0.001 0.154 0.008 20 <115-18 0.246 0.065 <0.001 0.023 <0.001 0.182 0.0\3 30 618-30 0.257 0.068 <0.001 0.023 <0.001 0.186 0.010 55 730-40 0.239 0.075 0.002 0.023 0.001 0.164 0.004 37 560-80 0.327 0.084 <0.001 0.023 <0.001 0.243 0.014 56 8

90-100 0.286 0.088 0.001 0.023 <0.001 0.198 0.003 26 <1

Planaltina de Goiâs - Cerrado0-3 0.457 0.199 0.001 0.026 <0.001 0.258 0.001 113 193-6 0.441 0.208 0.002 0.027 <0.001 0.233 0.030 147 28

10-17 0.417 0.206 0.002 0.025 <0.001 0.211 0.022 82 <125-32 0.470 0.214 0.002 0.026 <0.001 0.256 0.033 80 <133-40 0.521 0.216 0.001 0.026 <0.001 0.304 0.052 97 17

90-100 0.548 0.222 <0.001 0.026 <0.001 0.326 0.037 81 <1

Planaltina de Goiâs - Pasture0-3 . 0.369 0.189 <0.001 0.026 <0.001 0.180 0.019 97 173-6 0.385 0.188 0.001 0.026 <0.001 0.197 0.010 37 <1

10-17 0.392 0.194 <0.001 0.026 <0.001 0.198 0.016 77 425-32 0.393 0.199 0.003 0.026 <0.001 0.194 0.009 97 1733-40 0.392 0.200 0.002 0.026 <0.001 0.192 0.005 82 148-55 0.384 0.197 0.002 0.027 <0.001 0.187 0.039 73 490-100 0.429 0.202 <0.001 0.028 <0.001 0.227 0.069 51 4

'Total volume of pores. "volume of pores A. ~odal equivalent diameter of pores A."volume of poresB. "Modal equivalent diameterof pores B. fStandard error,

77

Discussion

Main soi! characteristicsThe soil characteristics accord with those required for a Ferralsol (ISSS WorkingGroup R.B., 1998). At Brasilândia, the soil under the Cerrado showed little variationof the clay content (303-365 g kg") from the surface to 80 cm depth, then it was432 g kg" between 90 and 100 cm depth (Table 1). Under the pasture, the smal1er claycontent in the upper 0-40 cm might have resulted from selective transport of the finematerial in runoff(Leprun, pers. Corn.). At Planaltina de Goiâs, the clay content variedlittle from the surface to 100 cm depth and was a little larger under Cerrado (775­782 g kg") than under pasture (679-728 g kg"). The DCB-extractable Fe203 contentand its proportion of the total extractable Fe203 were roughly similar to those value inother Ferralsols in Brazil (e.g. Pinheiro-Dick & Schwertmann, 1996; Neufeldt et al.,1999). The greatest CEC in the soil was in the 0-3 cm horizon because of thecontribution of the organic matter. Under pasture at Planaltina de Goiàs, applied limewould have increased the CEC (Table 1). We assumed that the > 2-~m fraction hasnegligible contribution to both CEC and NrBET-specific surface area against that ofthe < 2-~m fraction. Thus we first computed the CEC of the clay fraction (CECc1ay incmol, per kg of < 2-~m fraction) at 60-80 cm depth at Brasilândia and at 90-100 cmdepth at Planaltina de Goiâs where the organic carbon content was the least, thusenabling to minimize the contribution of organic matter to the CEC. At Brasilândia,CECc1aywas 6.8 and 5.9 cmol, kg" under Cerrado and pasture, respectively. At 90-100cm depth in Planaltina de Goiâs, CECc1aywas 3.2 and 3.4 cmol, kg" under Cerrado andpasture, respectively. These smal1 values of CECclay are fairly typical of kaolinite asrecorded in Ferralic horizons (ISSS Working Group R.B., 1998). However, they areamong the smal1est CECc1ay recorded in Brazilian Ferralsols (e.g. De Brito Galvâo &Schulze, 1996; Koutika et al., 1997). Then we computed also the N2-BET-specifiesurface area of the < 2-~m fraction (in m2per g of < 2-~m fraction) (Table 1). The NrBET-specifie surface area of the < 2-~m fraction ranged from 35.5 to 46.5 m2 g.1 andfrom 34.9 to 45.7 m2 g-I under Cerrado and pasture, respectively at Brasilândia. It waslarger at Planaltina de Goiâs than at Brasilândia and ranged from 49.9 to 57.2 m2g"under Cerrado and from 47.2 to 55.4 m2g" under pasture. These values are close tothose measured previously in Brazilian Ferralsols (e.g. Fel1er et al., 1992; De BritoGalvâo & Schulze, 1996).

Total pore volume

We computed the total pore volume (Vp,t) by using both the bulk density and partic1edensity (Table 3). At Brasilândia site, Vp,t was the greatest at 0-3 cm depth(0.867 cm' g.l) under Cerrado, then it was much smal1er at 3-6 cm depth (0.586 cm' g.l)and then increased with depth up to 0.712 cm' g-I at 90-100 cm depth. At every depth,Vp,t was smal1er under pasture than under Cerrado and Vp,t was the greatest at 90­100 cm depth (0.600 cm' g-I) under pasture. At Planaltina de Goiâs, Vp,t was thegreatest at 90-100 cm depth under Cerrado (0.628 cm3s') and pasture (0.512 cm3s')

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Table 3 Total pore volume and volume ofpores C ealeulated from bulk density, partieledensity and mereury porosity.

Depth

lem --- lem) g.I_-

Brasilândia- CerradoG-3 0.867 0.5883~ 0.586 0.288(rIS 0.589 0.24818-30 0.599 0.2563a-40 0.591 0.2226a-80 0.688 0.29390-100 0.712 0.345

Brasilândia- PastureG-3 0.541 0.2863~ 0.469 0.252(rIS 0.439 0.22718-30 0.445 0.1883a-40 0.536 0.2976a-80 0.525 0.1989G-100 0.600 0.314

Planaltina de Goias - CerradoG-7 0.547 0.106

1G-17 0.539 0.12225-32 0.506 0.03633-40 0.565 0.0449G-100 0.628 0.080

Planaltina de Goiâs - PastureG-7 0.472 0.087

IG-17 0.501 0.10925-32 0.452 0.05933-40 0.451 0.05948-55 0.425 0.0419G-100 0.512 0.083

"Volume of total pores. 'Volume of pores C.

but we had no measurement at 0-3 cm depth (Table 3). The smallest v.p 1 was recorded3 l 'at 25-32 cm depth under Cerrado (0.506 cm g-) and at 48-55 cm depth under pasture

(0.425 cm3g-I). At every depth, Vp,l was smaller under pasture than under Cerrado.

79

Large pores, microaggregation and biological activity

Because pores with De> 360 um were not measured by mercury porosimetry, Vp,m wassmaller than Vp,l and the difference between them corresponded to pores with De >360 um, The volume of these pores (volume of pores C, Vp,d which were largebiological pores mainly (channels, vughs), was smaller under pasture than underCerrado at Brasilândia site excepted at 30-40 cm depth (Table 3). At Planaltina deGoiàs, there was much less difference between the soils under Cerrado and pasturewith even Vp•t greater under pasture at 25-32 and 33-40 cm depth. However withrespect to the variability on bulk density and Vp,m determinations, the differences weretoo small to be further interpreted.

The microaggregates 50 to 300 um in size were similar to those described byEschenbrenner (1986) and Oliveira et al. (2000) that resulted from termite activity(Figures 1 & 2). The bigger microaggregates 500 to 1000 um in size that were in closepacking in aggregates 2 to 20 mm in size were earthworm casts (Lavelle & Spain,2001). Their greater proportion under pasture reveals a greater earthworm activitysince Cerrado clearing. This might result from an increase in organic matteravailability following clearing.

Pores resultingfrom microaggregate arrangement

According to Cambier & Prost (1981), the class of pores B can be attributed to poresresulting from the arrangement of microaggregates between themselves and with sandgrains at Brasilândia and of microaggregates alone at Planaltina de Goiâs because finesand grains are included within microaggregates as revealed by SEM observations(Figures 1 & 2). At Brasilândia, Vp,B increased with depth because both clay contentand microaggregation development increased with depth as shown by particle-sizedistribution determinations and SEM observation, respectively. The difference of claycontent at similar depth between the two soils did not enable accurate comparison ofVp,B and then of microaggregation development between the soil under Cerrado andpasture. Nevertheless, Vp,B at 18-30 and 30-40 cm depth under Cerrado was greaterthan at 60-80 cm depth under pasture when the clay content was similar (Tables 1 &2). Deeper in the soil, Vp,B was much greater at 60-80 cm depth under Cerrado than at90-100 cm under pasture when clay content was 3.7 % greater only. At Planaltina deGoiâs, SEM observations showed that silt and sand grains were included withinmicroaggregates. Thus variation of clay content did not lead the variation ofmicroaggregation such as at Brasilândia and Vp,B could be discussed without takinginto account clay content variation. Under Cerrado, Vp,B tended to increase with depththus indicating that microaggregation would be more developed with depth. Underpasture, results showed similar Vp,B with depth except at 90-100 cm depth where itwas much greater (Tables 1 & 2). Comparison of Vp,B at every depth between the soilsshowed that microaggregation was much more developed under Cerrado than underpasture.

Pores resultingfrom clay particle packing

As earlier shown by Cambier & Prost (1981), the class of pores A can be attributed tothe porosity resulting from the packing of clay particles thus explaining the closerelationship between Vp,A and the clay content (R2 = 0.989) and the small ordinate at

80

the origin (0.003 cm" g-I) when the samples from the two sites are analysed ailtogether (Figure 4a). This demonstrates that (i) the variation of soil texture between thetwo sites and between the two soils at every site, (ii) the difference of NrBET-specifiesurface between the two sites, (Hi) the presence of several types of microaggregate,(iv) and a variation of the microaggregation development according to depth and soiluse did not led to any recordable variation of the packing ofclay particles.

b. Brasilêndia •ThissbJdy a0.3

00;- o Planaltina deGoias·ThissbJdyC>..,E..!:!-c~

:> 0.2ctUle!0a.0CI)

0.1E::>

VpA=0.0003C +0.0029Ci>

R2=0.989

0-

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

lJ. BtasilAndia· This91udy bo Planaltina de GoI;Is • This91udy

0.3 • Alekseeva etal. (1997)

00;- <> lIartlli 01al. (1992)C> <> Braudeau &Bruand (1993)..,

• Combler &""'"1 (1981)

~ X Chauvolet el. (1991)

... lJ. Colleuille (1993) <>a. III Os Britl GalvAo & Schukzo (1996):> 0.2 X Grimaldi, unpublished

ct • Grimaldi & Ilcule1 (19!Kl)Ul III Grimaldi et 0/. (1990)e! • Grimaldi ot al. (1993)0a. rgj Hartnann(1991)0 D Koutika otal. (1997)CI) 0.1 iF!Larpin (1993)E 0' SanDs (2000)::>Ci

VpA=0.0003C +0.0004>

R2=0.861

00 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

Clay C Ig kg·1

Figure 4 Volume ofpore A, Vp•A, as a function of clay content, C, for the studied Ferralsols (a) and forboth the studied Ferralsols and other Ferralsols similarly analyzed in the Iiterature (b). The solid line isthe linear regression of Vp.A against C.

81

Our results showed that the pore volume associated to the packing of the clay particlescould be estimated as 0.270 cnr' of pore per gramme of clay. Nevertheless, the lack ofdata in the 43.2-67.9 % range of clay content led us to compare our results with thosefrom the literature. A broad set of Ferralsols from South America, Africa, Asia andIndia that were studied in mercury porosimetry was selected. Thus 112 couples of claycontent and Vp,A values from 32 soils were added 10 our set of results. The whole set ofresults confirms the closeness of the relationship between Vp.A and the clay content (R2

= 0.861, n = 138) and the small value of the ordinate at the origin «0.001 crrr' g-I)(Figure 4b). The distant points correspond to Ferralsols with a fine fraction made ofother minerals than kaolinite mainly. Most of the values that were recorded by Koutikaet al. (1997) and sorne of those recorded by Bartoli et al. (1992) are located under theregression line. They correspond to Ferralsols with lOto 26 % gibbsite and 45 to 50 %gibbsite, respectively. Others of values recorded by Bartoli et al. (1992) are locatedabove the regression line. They correspond to Ferralsols with goethite content rangingfrom 18 to 23 % and the distance to the line increased with goethite content. The highVp,A with respect to the clay content that was recorded by De Brito Galvâo & Schulze(1996) might result from the presence of mica and hydroxy-interlayered vermiculite inthe 5-2 um and < 2 um fractions.

Conclusion

Two types of rnicroaggregates were recorded under native Cerrado and pasture:(i) microaggregates 50 to 300 um in diameter that are in variable packing and usuallyattributed to termite activity, (ii) bigger microaggregates 500 to 1000 um in diameterthat were in close packing and resulted from earthworm activity. The lattermicroaggregates were more numerous under pasture than under Cerrado. Scanningelectron microscopy and porosity measurements showed that the smallmicroaggregates were much more closely packed from the surface to 1 m depth underpasture than under Cerrado. This difference between the soil under pasture and thatunder Cerrado was clearly shown at Planaltina de Goiâs and would be also present atBrasilândia as shown by porosimetry measurements but could not be discussedaccurately because of differences of composition between the two soils. Thus within afew years, clearing Cerrado and using the land for pasture would have induced adramatic decrease in microaggregation that is one of the rare favorable characteristicsof Ferralsols for agriculture. This change that affects the soil to lm depth cannot berelated to compaction of the soil by mechanical clearing of Cerrado alone but wouldresult from change of faunal and their activity: more earthworm activity as revealed bya greater number of earthworm casts under pasture and less termite activity resulting ina closer packing of the microaggregates.

The results showed also that the packing of the clay particles within themicroaggregates was similar whatever the type of microaggregate and land use. Acomparison of our results with earlier studies showed that the porosity resulting fromclay packing varies little in Ferralsols of different origins when the fine material ismainly kaolinite.

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Acknowledgements

We thank the Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuâria (EMBRAPA) forsupporting L. C. Balbino's study in France. The Soil Pasture Project EMBRAPACerrados-IRD, funded this research in collaboration with INRA. We thank also HervéGaillard, Christian Le Lay and Olivier Josières (INRA) for their help in the laboratory,Antonio da Conceiçâo Teixeira (EMBRAPA) for his help in sampling at Brasilândia'ssite, and Professor Terezinha Cassia de Brito Galvâo for the information she provided.

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84

CHAPITRE 4

EVOLUTION DES PROPRIÉTÉS

HYDRAULIQUES: RÉTENTION EN EAU ET

CONDUCTIVITÉ HYDRAULIQUE

Après avoir étudié leur structure et leur porosité, nous analysons ici les propriétéshydrauliques des Ferralsols sélectionnés, c'est-à-dire leurs propriétés de rétention eneau et leur conductivité hydraulique. Nous tenterons de mettre en relation cespropriétés avec les caractéristiques de la porosité décrites dans les deux chapitresprécédents.

L'étude ne concernera que les Ferralsols argileux puisque eux seuls ont fait l'objetd'un échantillonnage permettant de déterminer (i) les propriétés de rétention en eau suréchantillons non perturbés à l'aide de dispositifs à pression (ii) conjointement lacourbe de rétention en eau et la courbe de conductivité hydraulique à l'aide de laméthode par évaporation (iii) enfin la conductivité hydraulique à l'état saturé.

Ce chapitre a été soumis pour publication en novembre 2001 à la revue Geoderma.

87

Running title: Hydraulic propertiesof a clay Ferralsol

Change in the hydraulic properties of a Brazilian clay Ferralsol

on clearing for pasture (Cerrado region).

L.C. Balbino" b, A. Bruand", I. Cousina, M. Brossard", P. Quétin", M. Grimaldi"

aINRA, Unité de Science duSol, Centre de Recherche d'Orléans, BP 20619,45166 OlivetCedex, France,

bEMBRAPA Arroz e Feijâo, CP 179, 75375-000 Santo Antonio de Goiâs, GO Brazil,eISrO, Université d'Orléans, Géosciences, BP 6759,45067 Orléans Cedex 2, France,

dIRDIEMBRAPA Cerrados, CP 7091, 71619-970 Brasilia, DF Brazil,eIRDIFCAP, CP 917, 66077-530 Bélem, PA Brazil.

Abstract

Ferralsols under native vegetation are known for their weak to moderatemacrostructure and their typical strong microstructure corresponding to subroundedmicroaggregates that are usually 80 to 200 J.1m in size. Clearing the native vegetationfor pasture leads change in the structure at different scales. The aim of this study wasto analyze how the hydraulic properties of the selected clay Ferralsols were affected bystructure change. The water retention properties were determined on small undisturbedsampies by using pressure cell equipment. Both the water retention curve, 'i'(9), andthe hydraulic conductivity curve, K('i'), were determined also by applying theevaporation method to undisturbed core samples. Results showed that the waterretention properties were affected after clearing for pasture and the evolution wasrelated to changes in structure that were earlier published, Le. a variation of themicroaggregation development. There was a decrease in the water retained at -10 hPathat was particularly visible at 33-40 cm depth under pasture where the greatest bulkdensity was recorded because of the invasion of the soil by earthworm casts. On theother hand, the water retained at -100, -330, and -15000 hPa was closely related to theclay content and can be estimated by using relationships established with otherBrazilian Ferralsols. A variation of the saturated hydraulic conductivity (K.) was notshown but there was a different relationship between K. and the volume the largestpores according the land use. Little variation was recorded for the unsaturatedhydraulic conductivity for -900 ~ 'i' ~ -50 hPa. However, the differences recordedappeared to be related to microaggregation development. Comparison of the waterretained at -100 and -330 hPa by using the pressure cell method and the evaporationshowed that the square root of the mean quadratic difference was 0.031 and0.025 crrr' cm-J, respectively between the two methods. Finally, our results showedalso that use of the evaporation method to determine 'i'(9) and K('i') for 'i' values thatare either smaller or greater than those corresponding to the experimental conditions ofthe evaporation method should be avoided.

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Keywords: structure; bulk density; microaggregate; hydraulic conductivity; waterretention; biological activity

1. Introduction

Ferralsols (ISSS Working Group RB., 1998) correlate to Latosols of the Braziliansoil classification (EMBRAPA, 1999). Horizons show little or no distinct horizonationand their macrostructure is weak to moderate. On the other hand they have typically astrong microstructure (Neufeldt et al., 1999; Westerhof et al., 1999). Microaggregatesare near spherical ranging from 80 to 200 um in size usually. They correspond to the'pseudosand', 'micropeds', 'granules' which were described earlier by Kubiena (1950),Brewer (1964) and Trapnell and Webster (1986), respectively. Most microaggregateswold result from termites activity (Eschenbrenner, 1986). Thus, Ferralsols porosity isclosely related to the arrangement of microaggregates and the packing of clay particleswithin the microaggregates with a contribution of large pores resulting from biologicalactivity.

The large biological pores and the pores that result from the arrangement of themicroaggregates are preferentially affected by compaction when the soil is cleared andthen cultivated (Stoner et al., 1991). Several studies showed that other pores than largebiological pores alone are affected when the land is cleared for cultivation. Hartmann(1991) showed in Ivory Coast that microaggregation was affected by fertilizationpractices that had induced kaolinite dispersion and consequently a collapse of themicroaggregates. Chauvel et al. (1991) showed that after native Amazonian forestclearing, the packing of kaolinite particles within the microaggregates would beaffected by roots suction of the leguminous cropped. After cultivation, Tavares Filho(1995) and Assouline et al. (1997) recorded a decrease in the porosity that resultedfrom a change of the microaggregate arrangement both in the topsoil and subsoil.More recently, Balbino et al. (2001) and Bodineau (2001) studied Ferralsols in theCerrado and showed a dramatic decrease in the porosity after 10 years of pasture butunlike Chauvel et al. (1991), they did not record any variation of the porosity withinthe microaggregates. On the other hand, they compared the soil under nativevegetation to the soil under pasture; they showed under pasture a much closelypacking of the microaggregates and the development of larger and closer packedmicroaggregates that resulted from earthworm activity. That evolution of themicrostructure corresponded to a weak subangular blocky macrostructure underpasture when there was no macrostructure under Cerrado but a loose arrangement ofthe microaggregates. The aim of this study is to analyze how the hydraulic propertiesof the clayey Ferralsols studied by Balbino et al. (2001) are affected when the land iscleared for pasture. Results are discussed in relation to the porosity variation that wasdescribed earlier for that soil by Balbino et al. (2002a).

90

2. Material and Methods

2.1. The soils

The soils studied are located 30 km North of Planaltina de Goiàs in the state ofGoiâs (15° 14'S, 47° 42'W) in the Brazilian Savannah biome (Cerrado). These soilshad a clay texture (Table 1) and showed little horizonation, no macrostructure and astrong microstructure with near-spherical microaggregates (Balbino et al., 2001 and2002b). They are Latossolo Vermelho according to the Brazilian classification(EMBRAPA, 1999), Ferralsols according to the ISSS Working Group R.B. (1998) andAcrustox according to the Soil Taxonomy (Soil Survey Staff, 1996). The elevation is825 m. The climate is characterized by distinct wet and dry seasons, 80 to 90 % of theannual rainfall occurring between October and April (Assad et al., 1993). Mean annualrainfall ranges from 1100 to 1200 mm with 4 to 6 months with no rain. The soilsdeveloped in fine textured and deeply weathered Meso-neoproterozoic meta­sedimentary rocks (Paranoâ Group) which inherited from the erosion of Precambrianmaterials (Dardenne and Faria, 1986). The soil under two land uses was studied:(i) under a native cerrado which is a Cerrado sensu stricto consisting in the associationof tree and shrub species with the development of an herbaceous strata during the wetseason (Ribeiro and Walter, 1998) and (ii) under a low productivity pasture sowed in1990 with Brachiaria brizantha cv. Marandû after clearing the native Cerrado in 1989and lime application at the surface.

Table 1Physicaland chemical charaeteristics of the soils studied(after Balbino et al., 2001 and 2002a).

Depth D 8 Particle size distribution (um) pH OC6p

<2 2-50 50-2000 H20

(cm) (g cm") (gkg-1) - - (g kg- I

)

Cerrado(}-3 2.58< 775 123 102 5.0 29.23-6 2.58< 764 131 105 5.1 24.1

1(}-17 2.64 792 124 84 5.1 18.925-32 2.64 773 142 85 5.3 14.033-40 2.64 775 136 89 5.2 12.5

9(}-100 2.69 782 140 78 5.4 6.7

Pasture(}-3 2.61< 679 248 73 7.0 28.03-6 2.61< 722 210 68 5.7 20.2

1(}-17 2.66 737 200 63 5.2 16.325-32 2.67 669 261 70 5.2 15.933-40 2.66 698 233 69 5.2 15.248-55 2.67 696 234 70 5.3 14.49(}-100 2.68 728 205 67 5.2 6.3

'Particle density (SO ~ 0.01). bQrganic carbon. <Op for the whole layer 0-7 cm.

91

2.2. Sampling

We described the soil structure in the field down to 1.5 m depth. Largeundisturbed samples 30 x 30 x 30 cm) in volume were collected from the surface to1 m depth in January 2001 in order to determine the water retention properties of smallundisturbed sampIes with many replications. Other undisturbed sampIes were alsocollected using cylinders 1236 cm) (H 7 cm, 0 15 cm) and 929 cm) (H 7 cm, 0 13 cm)in volume in order to determine both the water retention properties and hydraulicconductivity. Core samples of each size were collected in duplicate at 0-7, 25-32,33­40 and 90-97 cm depth, except at 0-7 cm depth under pasture where 4 samples werecollected, two from areas between Brachiaria c1umps and two under Brachiariaclumps. Duplicate core sampIes were collected at 10-17 cm depth under pasture alone.The samples were stored in sealed plastic bags at 5--6°C in cooled rooms to avoid lossofwater and to reduce biological activity.

2.3. Methods

From the large undisturbed sampIes, small undisturbed samples were obtained inthe laboratory using copper cylinders 13.8 cm) in volume to investigate the waterretention according to the water potential ('P, in hPa). Water content at -10, -33, -100,-330, -1000 and -15000 hPa was measured using pressure plate or membraneapparatus. The srnall undisturbed samples that were obtained using the coppercylinders were placed still in their cylinder on a paste made of < 2 J1m particles ofkaolinite to establish continuity of water between the soils material and the membraneor the porous plate of the apparatus (Tessier and Berrier, 1979; Bruand et al., 1996).Before applying the pressure, the samples were left on the paste of kaolinite at 0 hPapotential for three days to ensure maximum rewetting. Then the pressure was appliedfor seven days. The water content (W, in g g-l) was expressed with respect to the drymass of the sample after oven-drying at 105°C for 24 hours. Six samples were used todetermine the mean water content at every water potential.

The saturated hydraulic conductivity 0Cs) was detennined by using the samplescollected with cylinders 929 cm) in volume. The samples were rewetted slowly bycapillarity for 24 hOUTS then saturated by rising water slowly for one week up tosubmersion. The samples were submitted to a constant hydraulic load in a columnrnaintained at a temperature of 20°C. The water flow was per ascensum with thesample tumed upside down. K, was detennined by using 5 different hydraulic loads,the volume of water passed throughout the sample being measured after 2 hOUTS atevery load applied.

Both the water retention and hydraulic conductivity were detennined by applrngthe Wind's (1968) evaporation method to the undisturbed samples 1236 cm involume. They were saturated in the same way that the soil cores used for the saturatedhydraulic conductivity measurements. Then, the water was drained and they weresubjected to evaporation and the water potentials were recorded using the devieedescribed in Fig. 1 (Wendroth et al., 1993; Tamari et al., 1993). For a soil core, theWind's (1968) method gives a fitted water retention curve according to the vanGenuchten (1980) model from which we calculated a set of ('P, 9) ~airs of values, anda set of (K, '1') pairs of values, where 9 is the water content in cm cm" and K is theunsaturated hydraulic conductivity. The mathematical procedures used to fit '11(9) and

92

to calculate K from Darcy's law, and the procedure used to fit van Genuchten (1980)model are described in Mohrath et al. (1997). According to the experimentalconditions, '1'(9) and K('I') were established for -900 ::; '1'::; -50 hPa.

The soil contained in the cylinders used for saturated and unsaturated hydraulicconductivity measurements was oyen dried at 105°C for 24 h then we calculated thebulk density (~) for every cylinder.

EYllpOlIItion across !he top of soilcore

i i i Î Î i i _ O.Oem

l i; Tensiometers 1 1.0cm

lb ) IJ.V, / AO r.uee

1l

i IJ. v. M,._ 2.0cm'4

! IJ.V,,

lIJ.V, A°J.Ocm _3.0cmq,

i IJ. v, ,q

l; IJ. v,

A9...!cm 4.5 cmlb ,

;IJ.V, i

q, l f AV b .â°6.ocm 6.0 cm

1 AV.i

11( i

1Zeronux al th. bottom of !he soil coluron.

1

'1' (.,1): measlllOd (. ~ 1.0cm, 2.0 em, 3.0 cm. 4.5 cm, 6.0cm)8 (z,1): estimated (1=1".1,. t" ...............t",,)

U "--.-J

Fig. 1. Experimental setup for the evaporation method ('1' is the soil water potential, q the averageupward volume flux density ofwater in the soil between the top tensiometer and bottomtensiometer at1.0 and 6.0 cm depth, respectively, qi the upward volume flux density of water across the ilh boundary,t the time coordinate, z the depth coordinate, !:J.V. the water storage change with respect ta time in thedepth compartment x, and !:J.Oz the sail water content change with respect ta time at depth z).

3. Results

3.1. Soil structure

The soil under the Cerrado vegetation showed a weil developed crumbmacrostructure from the surface to 6 cm depth, a moderate to weak crumbmacrostructure from 6 to 20 cm, a weak medium polyedral macrostructure from 20 to40 cm depth and no macrostructure from 40 to 100 cm depth. Microaggregates wereobserved in the first 30 cm fonning partly macroaggregates located in biologicalchannels and vughs. Deeper in the soil, microaggregation was generalised with weildeveloped spherical microaggregates 50 to 300 um in size. Numerous large channelsand chambers resulting from termite activity were observed.

Under the pasture, the soil showed a strong platy structure from the surface to3 cm depth, a small to medium weil blocky structure from 3 to 18 cm depth, a weaksubangular blocky macrostructure from 18 to 46 cm depth and no macrostructure from46 to 100 cm depth. Microaggregates were much less developed than under Cerrado inthe first 50 cm and located mainly in biological channels and vughs. Deeper in the soil,

93

microaggregation was generalised as it was under Cerrado with numerous largechannels and chambers resulting from termite activity.

3.2. Water retention properties using the pressure apparatus

Water contents at -10, -33, -100, -330, -1000 and -15000 hPa are shown in Fig. 2.

1Q4 ..

•' •. ·0 ..

··oe ,..D :.'.".

o. 3 cm ..a •...

•·D ..•...

33·40cm

,", .

1Q4 a. 3·6 cm • 48·55cm

ro ., ..Q. a.: a

:S 102 ...:"c. ...

~ '0 '.'......

ro~2

90• 100cm8. 1Q4 a. 10·1] cm:~...

2 :Q,. mco3: OD

102 ·D·,. "' ;.D- .....-e- • "'::m,

".

D·: •. ":':":";"D ; ..~•...

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

1Q425-32cmD.

a.102

:0. Cerrado•"D:'"e

Pasture:0,:. D"o'·:·.·· --------

10.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Water content W (g g.1)

Fig. 2. Water retention properties measured using the small undisturbed sampIes collected underCerrado and Pasture.

At 0-3 cm depth, samples from the Cerrado retained more water at -10 hPa thanthose from the pasture. Then at smaller water potential, sarnples from the Cerrado andpasture showed similar water retention properties. At 3-6, 10-17, and 25-32 cm depth,

94

the samples from the Cerrado retained more water than those from the pasture and thecurves were roughly parallel in the whole range of '1' studied. However, the differenceat 3-6 cm depth was very weak. At 33-40 cm depth, the samples from the Cerradoretained much more water at -10 hPa and more water at -33 hPa than those from thepasture. Then for -15000 ~ '1' ~ -100 hPa, the samples from the Cerrado and thosefrom the pasture showed similar water retention curves. At 90-100 cm depth, resultsshowed similar curves than at 33-40 cm depth but with water content much lessdifferent at -10 hPa and similar at -33 hPa between the samples from the Cerrado andpasture. At 48-55 cm depth, we did not measure the water retention properties ofsamples from the Cerrado. The sampIes from the pasture at 33-40 and 48-55 cm depthshowed similar water retention properties.

3.3. Water retention properties using the evaporation method

The '1'(9) curves are shown in Fig. 3 and the parameters of the van Genuchten (1980)model in Table 2. Most '1'(9) curves showed similar shape and somewhat variationbetween replicate samples from the same horizon, particularly at 0-7 cm depth underCerrado and under pasture where 4 samples were collected (Fig. 3).

-103 "

\ \,. , ,, ,, ,

.' ' ,, ,-10' '\ ' ,., ' ,

0-7 an " . 33-40 cm ' ,.' . , ," , ,

bd'b'a'c' a h 9 h'g'

·10

m .103e,

\\:S;T

"'ffi~ -10'

10-17cm~ 90-97 cm0 cdCl. j j' j'j...~(li

-1O3:.103

\ \\

0.2 0.3 0.4

-10' Cerrado 1

25-32 cm Pasturee f' e'

0.3

-10 +-----~-----~

0.2 0.4

Water content 9 (cm3 cm-3)

Fig. 3. Water retention curves, 'l' (9), determined by using the evaporation method on coresamples from the soil under Cerrado and under Pasture. (a, b, ... , j' and j' see Table 2)

95

However, except one of the replicate sampies under pasture at 0-7 cm depth, ail theduplicate curves were roughly parallel at every depth. Under Cerrado, there was agreat variability between the replicate samples at 0-7 cm depth.Then the water retained in the range of 'fi studied decreased from 10-17 cm to25-32 cm depth, and then from 25-32 cm to 33-40 cm depth where there was nodifference with the samples from 90-97 cm depth. Under pasture, results showedroughly similar water retention curves at 0-7 cm, 25-32 cm and 33-40 cm depth. At90-97 cm depth, the water retained was smaller than in the other horizons in the wholerange of 'fi studied.

Table 2Parameters of the Van Genuchten (1980)model for the '1'(9) and K('I') curves.

Depth Dt,8 8sb fJrc nd cr K.I(cm) (g cm'") _(m3 m-3) _ (m- I ) (m S-I)

Cerradoa 0-7 1.03 0.596 0.349 1.63 7.57 6.0010-5

b 0-7 1.07 0.583 0.295 1.48 12.53 9.0210-5

c 10-17 1.10 0.563 0.330 2.23 4.79 4.0010-5

d 10-17 1.05 0.600 0.339 2.47 5.64 3.10 10-4e 25-32 1.11 0.557 0.298 1.57 14.00 3.79 10-4f 25-32 1.07 0.591 0.259 1.42 21.62 1.15 10-3

g 33-40 1.07 0.557 0.279 1.53 14.30 6.8710-4h 33-40 1.01 0.566 0.261 1.73 8.85 3.4010-4

90-97 0.99 0.579 0.289 3.23 3.48 1.87 10-490-97 1.02 0.619 0.257 1.65 11.04 7.1310-4

Pasturea,g

0-7 1.28 0.508 0.248 1.24 3.32 3.31 10~b,g 0-7 1.13 0.566 0.289 1.40 7.80 2.8810-5

c·h 0-7 1.08 0.581 0.328 1.58 8.09 3.14 10-5

d·h 0-7 1.14 0.561 0.294 1.48 7.86 1.0610-4e' 25-32 1.24 0.532 0.324 1.71 6.42 1.8710-5

f 25-32 1.20 0.549 0.304 1.52 15.09 6.0510-4g' 33-40 1.14 0.581 0.319 3.21 7.59 1.41 10-4h' 33-40 1.23 0.534 0.309 1.63 12.85 2.88 10-4i' 90-97 1.10 0.529 0.284 2.18 4.35 2.97 10-4j' 90-97 1.12 0.577 0.262 1.61 9.25 8.0410-4

"Bulk density. bSaturated water contents used here as fitting parameters.'Residual water contents used here as fitting parameters. d and C are empiricalfitting parameters. fSaturated hydraulic conductivity calculated for '1' = O.8Between Brachiaria clump. 'Vnder Brachiaria clump.

96

3.4. Saturated hydraulic conductivity

The saturated hydraulic conductivity ranged from 2.14 10-5 to 6.57 10-5 m S-I

under Cerrado and from 4.67 10~ to 1.6910-4 m S-I under pasture (Table 3). Thesmallest K, was recorded at 0-7 cm depth pasture (4.67 1O~ m S-I). There was a greatvariability between the four values of K, measured at 0-7 cm d.2'th under pasture,those collected between Brachiaria clumps being smaller (4.6710 - 5.45 10~ m S-I)

than those collected under Brachiaria clumps (1.99 10-5 - 5.27 10-5 m S-I).

Table 3Saturated hydraulic conductivity (1(.) and bulk density (Ds).

Depth K. n,(cm) (m S-I) (g cm")

Cerradoa 0-7 2.14 IO-s 1.06b 0-7 3.621O-s 1.12c 10-17 4.241O-s 1.12d 10-17 5.10 IO-s 1.09e 25-32 3.19Ws 1.17f 25-32 1.18g 33-40 5.28 IO-s 1.05h 33-40 6.57 10-s 1.10

90-97 4.0410-s 0.9990-97 6.56 IO-s 0.98

Pastureaoa 0-7 4.67 IO~ 1.24boa 0-7 5.45 IO~ 1.19Cob 0-7 1.99 IO-s 1.23d,b 0-7 5.27 IO-s 1.06e' 25-32 7.87 IO-s 1.16f 25-32 2.31 IO-s 1.24g' 33-40 5.97 IO-s 1.23h' 33-40 5.91 IO-s 1.24i' 90-97 1.69 10-4 0.96j' 90-97 5.95 10-s 1.12

"BetweenBrachiaria c1urnps. tvnder Brachiaria c1urnps.

3.5. Unsaturated hydraulic conductivity

The K('P) curves are shown in Fig. 4 and the parameters of the van Genuchten(1980) model that were calculated are given in Table 2. We also ca1culated K at -50and -900 hPa that were approximately the maximum and the minimum 'JI for mostsampies (Table 4). For 'JI= -50 hPa, K ranfed from 2.48 10-8 to 1.03 10-5 m S-I and for'JI= -900 hPa, from 9.12 10.11 to 6.52 10- m S·I. Results showed similar K('P) curvesat 0-7 and 25-32 cm depth whatever the land use. At 10-17 cm under Cerrado and at90-97 cm depth under Cerrado and Pasture, Kwas always greater than it was at the

97

other depths under Cerrado and pasture for a given waterpotential. Finally, at33-40 cm depth, Kwas similar under Cerrado and pasture at -50 hPa and intermediatebetween the K values recorded at 0-7 and 25-32 cm depth one hand and at 10-17 and90-97 cm depth on the other hand. Then, K('P) curves differentiate themselvesbetween the Cerrado and pasture with '1' decreasing. At -900 hPa, Kwas clearlysmaller under pasture than under Cerrado.

Water potenlial 'If (hPa)

-800

33-40 cm

90-97 cm

Gerrado

Pasture

i',:'.'.....•.•..,•."'Tj

i

1=

-400

'.~. ,-.:-.;.~.~,~,~,~,~,'.~,'.~."•..~8:

o

dc

f'ef

···"····e'

O·7cm

-800

10-17 cm

25-32 cm

-400

d.

~::~~~==' .8b: c'

- . - .•. : b'-. .. 8·

010""

10-6

10-8

10.10

-en.s 10""~

~ 10-6.~

13:::J~

10-8c::8.2'3 10.10~

~::t:

10""

10-6

10-8

10"0

Fig. 4. Hydraulic conduetivity, K('I'), detennined by using the evaporation method on core samplesfrom the soil under Cerrado and under Pasture. (a, b, ... , i' andj' see Table 3)

98

Table 4Hydraulic conductivity (K) calculated for-50 hPa and -900 hPa.

Depth K-SOhPa -900hPa

(cm) __ (m s") __

Cerradoa 0-7 3.77 10-7 5.10 10-10

b 0-7 1.47 10-7 2.42 10-10

c 10-\7 1.12 10-6 6.47 10-10

d 10-\7 6.11 10-6 2.38 10-9

e 25-32 5.64 10-7 7.93 10-10

f 25-32 5.08 10-7 8.78 10-10

g 33-40 9.20 10-7 1.37 10-9

h 33-40 1.6910-6 1.93 10-9

90-97 1.43 10-~ 1.95 10-9

j 90-97 1.99 10-6 2.51 10-9

Pasturea" 0-7 2.48 10-.'1 9.12 10-11

b'" 0-7 1.04 10-7 2.03 10-10

Cob 0-7 1.58 10-7 2.30 10-10

d,b 0-7 4.68 10-7 8.00 10-10

e' 25-32 1.87 10-7 2.29 10-10

f 25-32 7.08 10-7 1.07 10-9

g' 33-40 1.05 10-6 1.35 10-10

h' 33-40 5.58 10-7 7.20 10-10

i' 90-97 1.03 10-~ 6.52 10-9

j' 90-97 3.1610-6 4.3210-9

"Between Brachiaria c1umps. "under Brachiaria c1umps

3.6. Bulk density

Under Cerrado, D, measured with 929 cnr' cylinders increased roughly from0-7 cm depth (1.06-1.12 g cm") to 25-32 cm depth (1.17-1.18 g cm"), then decreasedto 90-97 cm depth (0.99-0.98 g cm") (Table 3). Under pasture, D, was variable at0-7 cm depth (1.06-1.24 g cm"), the greatest at 33-40 cm depth (1.23-1.24 g cm") andthe smallest at 90-97 cm depth (0.96-1.12 g cm").

Under Cerrado, D, measured with the 1236 crrr' cylinders showed little variationfrom the surface to 90-97cm depth (0.99-1.02 g cm") (Table 2). Under pasture, D, wasgreater than under Cerrado. The greatest Db was measured in the 0-7 cm layer(1.28 g cm") but that layer showed a D, highly variable. If we except the 1.28 g cm"that was recorded in the 0-7 cm layer, D, was the greatest at 25-32 cm depth(1.20-1.24 g cm") with close values at 33-40 cm (1.14-1.23 g cm") depth(1.06-1.24 g cm"), the greatest at 33-40 cm depth (1.23-1.24 g cm") and the smallestat 90-97 cm depth (0.96-1.12 g cm").

99

Under Cerrado, Db measured with the 1236 crrr' cylinders showed little variationfrom the surface to 90-97cm depth (0.99-1.02 g cm") (Table 2). Under pasture, D, wasgreater than under Cerrado. The greatest Db was measured in the 0-7 cm layer(1.28 g cm") but that layer showed a D, highly variable. If we except the 1.28 g cm"that was recorded in the 0-7 cm layer, Db was the greatest at 25-32 cm depth(1.20-1.24 g cm") with close values at 33-40 cm (1.l4-1.23 g cm") depth.

4. Discussion

4.1. Water retention properties

Horizons showing similar water retention properties have similar pore size distri­bution in the range of pore size corresponding to the water potential investigated, i.e.for pores with equivalent diameter (De) ranging from 300 um ('II = -10 hPa) to 0.2 um('fi = -15000 hPa). Under Cerrado, Balbino et al. (2001) showed that there was a closerelationship between the volume of pores with De< 0.2 um and the clay content (R2 =0.99, n = 24). This explains the small variation ofW at -15000 hPa that was recorded,the clay content showing small variation in soils studied (669-792 g kg"),

In a review on the soil properties in the Cerrado region, Balbino et al. (2002a)showed that W at -15000, -330 and -100 hPa when measured on undisturbed sampleswas closely related to the clay content in Ferralsols. The relationships between W andthe clay content (%0 clay) was:

W = 0.0287 0/00 clay + 1.4W = 0.0330 %0 clay + 5.8W = 0.0331 %0 clay + 8.3

at '1' = -15000 hPaat'l' = -330 hPaat'l' = -100 hPa

(R2 = 0.97, n= 57) (1)(R2 = 0.87, n= 43) (2)(R2 = 0.84, n= 40) (3)

We used Equation (1) to estimate W at -15000 hPa. Then we calculated the meanerror of prediction (MEP) and the standard deviation of prediction (SDP) as follows:

t,Wm -».MEP = -",0=",-1 _

n-I

SDP = \/,,::,:0=,,-1 _

n -1(5)

(4)

where Wm is the measured water content, Wp is the predicted water content and n isthe number of horizons. The sign of MEP indicates whether Equation (1)overestimated (negative) or underestimated (positive) the water content, whereas SDPmeasures the precision of the predictions. Results gave MEP = 0.008 g s" and SDP =0.011 g g.1 thus indicating a very small underestimation of W and a satisfactoryprecision of the estimation of the latter with Equation (1).

100

We used also the Equations (2) and (3) to calculate W at -330 and -100 hPa,respectivelr Comparison between measured and estimated W gave MEP =-0.001 and-0.002 g g at -330 and -100 hPa, respectively, i.e. very smal1 overestimation of W.Results gave also SDP = 0.025 and 0.031 g g-I at -330 and -100 hPa, respectively.Thus showing a decrease in the precision of the predictions when 'JI increased. TheMEP and SDP show that the Ferralsols studied and those reported in the studies thatwere reviewed by Balbino et al. (2002a) have similar water retention properties.

The water retention properties were determined with pressure equipment for-10 2: 'JI2: -15000 hPa and with the evaporation method for -50 2: 'JI2: -900 hPa. Wecalculated 9 at -330 and -100 hPa by combining Dband the gravimetrie water retentionmeasurements obtained with pressure equipments. The values of 9 at -330 and-100 hPa from the evaporation method were compared to those obtained with thepressure equipments rnethod (Fig. 5a). We calculated the square root of the meanquadratic difference (SRMQD) as fol1ows:

(6)n-I

SRMQD= 11="=,,-1----

where gevap is the water content measured with the evaporation method, 9pla1e is thewater content calculated from measurements with pressure e~uipments and n is thenumber of horizons. The SRMQD was 0.021 and 0.017 crrr' cm- at -100 and -330 hPa,respectively, thus indicating that 9evap was doser to 9plate at -330 hPa than at -100 hPa.We also compared 9evap and 9plate at -1000 and -33 hPa, i.e. outside from theexperimental range of 'JI values that were recorded with the evaporation method (Fig.5b). The SRMQ was 0.024 and 0.034cm3 cm" at -1000 and -33 hPa, respectively. Thisshowed that 9 deduced from evaporation method for a 'JI value outside from theexperimental range of 'JI values led to gevap that was more different from 9p1ate for a 'JIvalue within the experimental conditions.

The difference of water retained between -10 hPa and -15000 hPa resulted frompores with 300> De> 0.2 IJm. Balbino et al. (2002b) measured in mercury the volumeof pores with 360> De> 0.2 IJm (Table 5). Our results showed a relationship betweenthe volume of water retained between -10 hPa and -15000 hPa and this pore volume(R2 = 0.76) (Fig. 6). The latter was interpreted by Balbino et al. (2002b) as being thepores resulting from the arrangements of microaggregates. Consequently the waterretained between -10 and -15000 hPa can be related to microaggregation development,thus indicating that the available water in the Ferralsols studied is related tomicroaggregation that was less developed under pasture than under Cerrado as earliershown by Balbino et al. (2002b).

The greater W recorded at -1OhPa under Cerrado than under Pasture at 0-3, 33-40and 90-100 cm depth would result from the much looser packing of the micro­aggregates under Cerrado than under pasture that was shown by Balbino et al.(2002b). The shift of the curves that was recorded with the smal1 undisturbed samples,particularly at 3-6, 10-17 and 25-32 cm depth would result from the greater claycontent under Cerrado than under pasture thus inducing more water retained at small

lOI

water potential and no variation in the microaggregation development. The differencerecorded between the plate and the evaporation method might result from differencesof Db because of differences of the volume of macropores mainly between thesamples. This would explain the variability that was recorded when the 'JI(9) remainedparallel.

Fig. 5. Comparison between the water content determined by using the pressure method (Op",,)and the one determined by using the evaporation method (Oevap) at -100 and -330 hPa (a), -33and -1000 hPa (b).

102

0.4 _ .

y=1.075x - 0.043R2 =0.78

DCerrado

o Pasture

0.4

o

0.30.2

0.3 .

0.2 .

0.1 -1--------,----------,------------1

0.1

Volume ofpores with 360 > D. >O.21Jm

Fig. 6. Comparison between the volume of pores resulting frorn the arrangement ofrnicroaggregates (after Balbino et a/., 2002a) and the volume of water retained between -10and -15000 hPa.

Finally, the pressure plate method was more adapted than the evaporationmethod to the study of consequences of porosity change on water retention propertiesat the scale microagregate arrangement. Indeed, differences of water retained at -10and -33 hPa recorded with the pressure plate method were not recorded with theevaporation method that is provided W values for Y < -50 hPa.

4.2. Saturated hydrau/ic conductivity

Comparison of Ks measured in the laboratory with Ks caIculated by using thedata from the evaporation method showed that the latter overestimated Ks (Fig. 7).Variation of Ks being related to the largest pores, we analysed Ks variation bycombining the total volume of pores derived from Db measured for every soil oncylindres used for Ks determination, with the water volume retained either at -10 hPa,-33 hPa, -IOOhPa, or at -330 hPa. This enabled the estimation of the volume of pores

103

with De~ 300 um, 100 urn, 30 um and 10 um respectively. Results show a loosecorrelation between K, and the volume of pores whatever De~ 10 um (Table 6).

The closest correlation was recorded with the volume of pores with De~ 100um(Fig. 8). Results showed that the relationship between K, and the volume ofpores withDe ~ 100Jlm appeared to be different between the soil under Cerrado and the soit underpasture whereas the porosity range for pores with De~ 100 um was similar betweenthe two soils, The greater slope of the regression line would indicate that pores withDe~ 100 um are more effective for water transfer under pasture than under Cerrado(Table 6). They might correspond to larger pores and/or more connected pores, and/ormore numerous pores under pasture than under Cerrado.

Table5Total pore volume calculated from bulk density measurements, pore volume withinmicroaggregates andresulting frommicroaggregates arrangements after Balbino et al. (2002b).

Depth Total pore volume Pore volume Pore resulting fromwithin microaggregates arrangement

microaggregatesKsat Wind De<0.2 um 0.2< De < 360 um

(929cml) (1236 cm')

(cm) (cm' g-I)

Cerrado0-7 0.531 0.551 0.2048 0.2468

10-17 0.526 0.552 0.206 0.21125-32 0.472 0.539 0.214 0.25633-40 0.552 0.584 0.216 0.30490-100 0.644 0.623 0.222 0.326

Pasture0-7 0.468 0.484 0.189

8 0.1898

10-17 0.194 0.19825-32 0.460 0.445 0.199 0.19433-40 0.434 0.469 0.200 0.19290-100 0.594 0.528 0.202 0.227

8 Mean valuefrom measurements at 0-3 and3-6cm depth.

Table6Regression coefficients between K.and the volume of thelarge pores.

RZ

n De> 300 um De> 100 um De> 30 um De> 10 um

Ali samples 19 0.01 0.22 0.22 0.20

Cerrado 9 0.13 0.53 0.44 0.40

Pasture 10 0.14 0.39 0.40 0.38

104

10-5 10-4

Ks measured (m S·1)

-'";"(1)

§. 10-3

maximum Ka caJQJlaIed

rnini~um + m;p~ummeasured measured

minimum Ka caIal1aled

10~ IL- --'-=========:::J1~

Fig. 7. Comparison between the measured saturated hydraulic conductivity and the saturatedhydraulic conductivity calculated by using the evaporation method. The two values of the saturatedhydraulic conductivity obtained with every method correspond to the extrernities of the segments.

1.810""0

1.610"" o Cenado

1.410""o Pasture

1.210""

1.010"" -Y=O.0006x - 3 10-5

'u> ~=0.39g

8.010-5-::Z

6.010-5

4.010-5

2.010-5 - 0

00 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350 0.400

[VP.I - rN at-33 hPa)] le Db (cm3 cm-3)

Fig. 8. Variation of K. according to the difference between the total pore volume (in cm) g-I, seetable 5) and the volume ofwater retained (cm) g-I) at -33 bPa. Every volume (cm) g-I) was correetedby Dt,to obtain a volume of pores expressed as a percentage ofsoil volume (cm) cm'),

105

4.3. Unsaturated hydraulic conductivity

At -50 hPa, the pores with De< 60 J.1m alone were occupied by water. Thus thegreater K for 'fi = -50 hPa at 90-97 cm depth under Cerrado and pasture and at10-17 cm depth under Cerrado would indicate a more effective porosity for watertransfer than at the other depths. This effectiveness of the porosity would be theconsequence of the greater microaggregation that was recorded at 90-100 cm depth asrevealed by observations in scanning electron microscopy and mercury porosimetrymeasurements (Balbino et al., 2002b). At -900 hPa, only pores with De< 3.0 J.1m wereoccupied by water and contribute to water transfer. The range of K was smaller at-900 hPa in every soil (Cerrado: 1.3710-9

- 8.78 10-10 m S-I; pasture1.07 10-9 - 9.12 10-11 m S-I) than at -50 hPa (Cerrado: 1.43 10-5 - 9.20 10-7 m S-I;

pasture 1.03 10-5 - 2.8410-8 m S-I) (Table 4). This would result from a smallervariation of the pore volume for De< 3.0 J.1m than for De< 60 J.1m; this is consistentwith results from porosity analysis (Balbino et al., 2002b). The smaller K recorded at33-40 cm depth under pasture than under Cerrado might result from the earthwormcasts at this depth as shown earlier by Balbino et al. (2001). lndeed, this occupation byearthworm casts resulted in a dramatic increase in the bulk density (Tables 2 and 3)thus indicating a decrease in the porosity.

5. Conclusion

Our results showed that hydraulic properties were affected when the soil iscleared for pasture. This variation consisted in a decrease in the water retained at greatwater potentials. That variation was particularly visible at 33-40 cm depth where adecrease in the microaggregation development and a closer arrangement ofmicroaggregates was a consequence of the invasion of the soil by dense earthwormscasts. The evolution of both the structure and porosity with its consequences for thehydraulic properties would result from a change in the soil fauna but requires to beconfirmed. The variation consisted also (i) in relationships between the saturatedhydraulic conductivity and the volume of pores with De2: 100J.1m that would bedifferent according to the land use, (ii) and in a variation of the unsaturated hydraulicconductivity for -502: 'fi 2:-900 hPa that appeared to be related to a decrease inmicroaggregation development when the soil is cleared for pasture. On the other hand,we showed that the water retained at -100, -330 and -15000 hPa was closely related tothe clay content and thus confirmed that for these water potentials, water retentionproperties can be derived from the clay content alone for a broad range of Ferralsols.

Comparison of water retained by the soils studied in the range of 'fi that wascommon to both the pressure plate and evaporation methods showed relatively smalldifferences of water retained. On the other hand, when the evaporation method wasused to estimate water retention properties outside the range of 'fi corresponding to theexperimental conditions, the difference with the pressure plate method increased. Ourresults showed also that K. cannot be estimated from extrapolation of the K('I') curvefor 'fi = O. Indeed, ail the K. estimated with the evaporation methods were greater thanK. measured. This points out the need to measure K is the range of great 'fi values, i.e.in the range of water content near to saturation. Thus, one can conclude that use of the

106

evaporation method to determine '1'(9) and K('P) for '1' values that are either smaller orgreater than those corresponding the experimental conditions of the evaporationmethod should he avoided.

Acknowledgements

We thank the Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuâria (EMBRAPA), the InstitutNational de la Recherche Agronomique (INRA) and the Institut de Recherche pour leDéveloppement (IRD) for their financial support of the L. C. Balbino's work in France. Wethank also Hervé Gaillard, Laurent Raison, Loïc Prud'homme, and Sacha Desbourdes (INRAOrléans) for their help in the laboratory and Sebastiâo Araujo (EMBRAPA Arroz e Feijâo).

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CONCLUSION ET PERSPECTIVES

Une région aussi étendue que le Cerrado ne peut que difficilement accepter quesa productivité agricole soit largement au-dessous de son potentiel. Les pâturagescultivés occupent environ 40 % de cette surface et la proportion de cette surfacecorrespondant à des pâturages de faible productivité ne cesse de croître. L'origine decette faible productivité est plus complexe qu'un simple déficit de fertilisants dans lesol. Si la fertilisation chimique est indispensable en raison des caractéristiquesminéralo-chimiques des Ferralsols, celle-ci ne permet pas de revenir à un niveau deproductivité satisfaisant dans de nombreux cas. La question du comportementphysique des sols a été reléguée dans cette région à un rôle secondaire face à celle ducomportement chimique très tôt mis en évidence et étudié. Le problème est telaujourd'hui, que des pâturages de faible productivité ne répondent plus à lafertilisation chimique. Enfin, des travaux récents montrent que l'activité biologiquejouerait un rôle majeur dans l'évolution de la fertilité des Ferralsols lorsqu'ils sont misen culture.

Un ensemble de résultats couplant structure et propriétés hydrauliques

L'analyse de la littérature confirme que l'évolution des propriétés physiques dessols du Cerrado lorsqu'ils sont mis en culture, et en particulier celle des Ferralsols, estmal connue. La mise en culture se traduit bien évidemment par une évolution de lastructure dans la partie supérieure du sol mais la connaissance de ses conséquences surles propriétés physiques demeure très imprécise.

III

Une évolution structurale liée à des variations d'activité biologique

Dans ce contexte, nous nous sommes attachés dans un premier temps à étudieren détail la structure des sols sous végétation naturelle et sous une prairie artificiellepâturée agée d'une dizaine d'années. La structure microagrégée étant centrale pourcomprendre le comportement structural des Ferralsols, c'est elle que nous avonsétudiée en tout premier lieu. Les observations effectuées en microscopie ont montréqu'à côté des microagrégats de 50 à 300 um de diamètre qui apparaissent être les plusnombreux, d'autres, soit de plus petit taille (50 - 200 um) et plus poreux, soit de plusgrande taille (500 - 1000 um) et plus compacts étaient aussi présents. Ces deuxderniers types d'agrégats sont soit isolés ou sein de l'assemblage, soit agglomérés endes volumes de grande taille (5 - 20 mm). Ces agglomérats correspondent selon toutevraisemblance à des déjections de vers géophages. Les agrégats qui les composentn'auraient pas alors la morphologie de microagrégats subarrondis mais plutôt celle detubes dont la section dans un plan est une ellipse plus ou moins proche d'un cercle.

Les agglomérats apparaissent être des volumes de sol beaucoup plus compactsque l'est le sol lorsqu'il est composé d'un assemblage lâche de microagrégats de 50 à300 um comme c'est le cas en profondeur. A chaque profondeur, la proportiond'agglomérats est plus élevée sous pâturage que sous végétation naturelle. Elle est enparticulier très élevée entre 3 et 40 cm de profondeur dans le Ferralsol argileux souspâturage. Cette différence d'état structural serait aussi présente dans les Ferralsolsargilo-sableux étudiés mais moins visible en raison de la présence d'une fractionsableuse grossière et d'une microagrégation moins développée.

Une telle évolution structurale s'expliquerait par une variation de la diversitétaxonomique de la faune d'invertébrés du sol et, dans le cas étudié, par une perte dediversité suite à la mise en culture. Les microagrégats qui seraient au moins en grandepartie le produit de l'activité de trituration des termites seraient ingérés par des versgéophages et réorganisés en ces agglomérats compacts que l'on retrouve en grandnombre sous pâturage. La suppression de la végétation de Cerrado a entraîné undéséquilibre à l'origine de la formation d'un plus grand nombre d'agglomérats souspâturage, ce qui se traduit macroscopiquement par des valeurs de densité apparenteplus élevées sous pâturage (1,20 - 1,25g cm") qu'elles ne le sont sous végétationnaturelle (1,00 - 1,10 g cm").

Ainsi, excepté dans les premiers centimètres sous pâturage où la structureapparaît être la conséquence d'un compactage par les animaux, les variations destructure observées ne sont pas liées aux opérations mécaniques lors du défrichementou lors de l'implantation de la végétation de Brachiaria. Elles seraient en revancheétroitement liées au bilan des actions compactantes et de celles décompactantesproduites par la faune du sol.

Des microagrégats à géométrie variable

Les microagrégats sont généralement décrits comme étant des édifices trèsstables et rigides. Nous avons montré que de tels édifices subissaient des variations degéométrie lors de la dessiccation en évoluant vers des assemblages plus compacts.Cette déformabilité de l'assemblage est indépendante de la proportion en différents

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types de microagrégats au sein de chaque horizon. Ceci indique que cette propriétéserait une propriété de la phase argileuse (assemblage particules d'argile - oxy­hydroxydes de fer - composés organiques) indépendante de son organisation en tel outel type de microagrégat.

L'analyse des résultats a en revanche montré que l'intensité de la déformationest liée à la teneur en carbone organique de la phase argileuse. Elle est d'autant plusélevée que la teneur en carbone organique est élevée et cette différence est laconséquence de différences de volume poral à l'état hydraté et non à l'état déshydraté,état dans lequel le volume poral développé par l'assemblage de la phase fine rapporté àl'argile ne varie que très peu d'un horizon à un autre.

Cette déformabilité croissante avec la teneur en carbone organique pourraitêtre liée au fait que les molécules organiques intimement liées aux particules d'argilemaintiendraient les particules d'argile éloignées les unes des autres dans l'état hydratéet que cet effet disparaîtrait, ou tout au moins, se réduirait considérablement avec ladessiccation. Un tel mécanisme serait cohérent avec la présence de moléculesorganiques de type polysaccharide intimement associées aux particules d'argile au seinde la phase argileuse.

Nous sommes alors bien loin de considérer les microagrégats des Ferralsolsdéfinis comme étant des édifices rigides en raison de l'action d'oxy-hydroxydes de ferentre les particules d'argile.

Une évolution de la porosité étroitement liée à celle de la structure

La transformation de la structure, et en particulier de la microstructure, setraduit par une évolution de la porosité totale et de la distribution de taille des pores.Une proportion plus élevée d'agglomérats compacts, produit de l'activité de versgéophages, correspond à une diminution du volume total de pores et en particulier deceux correspondant à l'assemblage des microagrégats (diminution de l'ordre de 15 à30%).

Les pores d'origine biologique de plus grande taille sont aussi présents envolume variable. Celui-ci décroît lorsque l'on passe des sols sous végétation naturelleà ceux sous pâturage. Cette décroissance est presque systématique mais d'importancetrès variable. Elle est la plus marquée dans les trois premiers décimètres.

Enfin, dans l'état deshydraté, la porosité qui résulte de l'assemblage desparticules composant la phase argileuse «2 um) ne varie pas entre les différents solsétudiés. Il existe en effet une relation entre la proportion de la phase argileuse «2 um)dans le sol et le volume de pores résultant de l'assemblage des particules qui laconstituent. Une analyse des travaux antérieurs révèle que cette propriété desFerralsols étudiés serait présente dans de très nombreux Ferralsols.

Des propriétés de rétention en eau largement affectées par l'évolution de la structure

Si les quantités d'eau retenue à -15000 hPa apparaissent être largementindépendantes de l'usage du sol pour les Ferralsols étudiés et par conséquentétroitement dépendantes de la teneur en argile, il en va différemment pour les quantitésd'eau retenues à des potentiels plus élevés. La quantité d'eau retenue entre -10 hPa et

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-15000 hPa est en effet liée au volume des pores résultant du mode d'assemblage desmicroagrégats et par conséquent du développement de la microagrégation. Souspâturage, l'envahissement de la partie supérieure du sol, en particulier entre 30 et50 cm de profondeur, par des agglomérats compacts produits de l'activité de versgéophages se traduit par une diminution des quantités d'eau retenues à -10 et -33 hPaet par conséquent par une diminution de la quantité d'eau disponible entre -10 et ­15000 hPa.

Des propriétés de transfert dont l'évolution liée à la structure reste difficile àformaliser

La conductivité hydaulique à saturation (Ks) varie de deux à trois ordres degrandeur au sein de l'ensemble des horizons étudiés. En revanche, il y a moins d'unordre de grandeur de variation au sein du sol sous Cerrado. La comparaison entre lamesure directe de Ks et son estimation par extrapolation de la courbe K(9) pour 'JI=0montre que cette dernière conduit systématiquement à une surestimation de Ks.

L'analyse des valeurs de Ks mesurées montre qu'il est difficile d'établir unerelation avec des caractéristiques volumiques de la porosité, même en ne considérantque les pores de plus grandes tailles qui sont ceux qui font varier Ks de façonprivilégiée. La relation la plus étroite a été établie avec les pores de De> 100 um ausein des échantillons. En revanche, il apparaît que la relation avec le volume de poresde De> 100 um serait différente sous Cerrado et sous pâturage. Cette difficultérencontrée pour établir un lien entre Ks et la porosité s'explique aisément par une nonprise en compte de grandeurs topologiques comme la tortuosité ou encore laconnectivité des volumes de pores mesurés.

Des premiers résultats concernant la conductivité hydraulique à l'état non saturé pourdes Ferralsols du Cerrado

Les courbes K('P) obtenues constituent autant de données nouvelles pour lesFerralsols du Cerrado. Il existe en effet encore très peu de données expérimentalesdans ce domaine. Les variations enregistrées dans le sol sous Cerrado comme souspâturage sont faibles. La conductivité hydraulique apparaît cependant être plus élevéeen profondeur (90-97 cm) qu'elle ne l'est dans le reste du sol, ce qui est normalcompte tenu de la structure composée d'une juxtaposition des microagrégats dans cethorizon. Les valeurs de conductivité hydraulique enregistrées à 10-17 cm deprofondeur sous Cerrado, et qui sont proches de celles obtenues en profondeur, restentdifficiles à expliquer. Elles peuvent être reliées à la grande diversité de la distributiondes rnicroagrégats et de rnacropores issus de l'activité d'insectes sociaux. Par ailleurs,les conductivités hydrauliques les plus faibles sont enregistrées à 33-40 cm deprofondeur, là où l'envahissement du sol pour des turricules de vers géophages est leplus marqué, et à 0-7 cm de profondeur là où la microagrégation est très faiblementdéveloppée sous Cerrado comme sous pâturage. Des mesures de K dans la gammeo< 'JI< -50 hPa auraient peut être permis de mieux relier le développement de lamicroagrégation et la conductivité hydraulique à l'état non saturé.

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Des perspectives de recherche dans plusieurs directions

Au total, les approches antérieures montraient que la mise en culture desFerralsols s'accompagne d'une importante et rapide modification de la porosité ensurface, souvent associée à une augmentation de la masse volumique. La revuebibliographique a montré que cela s'exprime par des modifications des valeurscaractéristiques des propriétés physiques élémentaires. L'analyse plus détaillée dedeux sites, où la mise en culture peut être considérée comme étant de faible pressionanthropique, a permis de préciser ces transformations physiques et de montrer que lestransformations se produisent en profondeur, bien au-delà des seuls horizonsconcernés par les travaux superficiels. Les transformations induites concernentl'organisation des microagrégats, leur porosité et les comportements hydrauliques.Nous avons pu voir que si les transformations de la structure sont intimement liées auxtransformations de l'activité de la faune du sol, l'agencement des particules argileusesvarie elle en revanche, très peu en fonction du type de microagrégat, même après miseen culture,et ceci pour une largegammede Ferralsolsde différentes régions tropicales.

A l'issue de cette étude, plusieurs pistes de recherches futures peuvent êtredégagées. Elles concernent:

i. Une meilleure compréhension du rôle de la matière organique humifiée dansl'expression de "l'élasticité" de la porosité dans les microagrégats lors desphases d'humectation et de dessiccation, au sein de la phase argileuse;

ii. Une meilleure connaissance des matières organiques associées à la phaseargileuse au sein des différents types d'éléments structuraux: microagrégats liésaux termites et agglomérats liés à l'activité lombricienne en particulier. Nousavons déduit de nos mesures globales que la phase argileuse avait le mêmecomportement, qu'elle appartienne aux microagrégats ou aux agglomérats. Cepoint reste à confirmer par une analyse directe et spécifique de chaque typed'élément structural;

iii. L'analyse du rôle des oxy-hydroxydes de fer et d'aluminium sur lecomportement de la phase argileuse dans les Ferralsols. Nous avons montré que sila phase argileuse apparaît être dans un état structural peu variable depuis lesteneurs en argile les plus faibles jusqu'aux plus élevées, des états structurauxdifférents semblaient exister pour des Ferralsols très riches en oxy-hydroxydes defer ou d'aluminium. Cela nécessiterait une étude où les sols étudiés serait choisisen fonction de la teneur en goethite, hématite et gibbsite ;

iv. Le lien entre l'état structural des sols et leurs propriétés hydrauliques apparaîttrès clairement avec les propriétés de retention en eau mais il est en revanche plusténu avec la conductivité hydraulique. Les Ferralsols constituent un modèleoffrant de nombreux avantages (caractéristiques géométriques de la structure,phénomènes de gonflement demeurant limités) pour l'étude des propriétés detransfert en particulier pour le transfert de l'eau. En effet dans le cas où la porositépeut se réduire à celle d'un assemblage de microagrégats et à celle d'unassemblage des particules d'argile au sein des microagrégats, ce qui est souvent lecas dans des Ferralsols, il s'agit alors d'un milieu à porosité bimodale de taillesuffisamment petite pour que les écoulements ne soient pas trop rapides et lesmesures aisément réalisables;

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v. Le rôle de la faune a sans doute été sous-estimé dans la dynamique des structuresobservées. Dans cette étude, la faune est en quelque sorte présente par" effraction" n'ayant pas été prise en compte de façon explicite dans le pland'expérience. Il serait souhaitable que son étude et celle de la dynamique del'état structural soient plus étroitement associées à l'avenir en s'attachant enparticulier à mieux définir les durées de vie des éléments structuraux et leurspropriétés, tant chimiques que physiques;

vi. Enfin, la dynamique racinaire n'a pas été prise en compte. Pour la poursuite detels programmes elle ne peut être négligée en particulier pour les espèceshautement productives de Brachiaria que sont le decumbens et le brizantha.Ainsi il serait souhaitable de vérifier la contribution racinaire à l'expression de laporosité entre 5 et 500 um, particulièrement dans les amas structuraux issus del'activité des vers de terre.

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RtsUMÉL'objectif est d'étudier l'évolution des propriétés physiques de Ferralsols du Cerrado

lorsqu'ils sont mis en culture. Deux sites ont été sélectionnés et pour chacun d'eux, un solsous végétation naturelle et un sol sous prairie artificielle à faible productivité. Les sols sontde texture argilo-sableuse et argileuse. Ils présentent une microstructure très développéecomposée de microagrégats de 50 à 300 j.1m qui sont attribués à l'activité des termites.Juxtaposés à ces microagrégats, d'autres agrégats de plus grande taille de 500 à 1000 um,sont fréquemment assemblés en volumes compacts de 2 à 20 mm. Ces volumes compactsont été attribués à des turricules de vers géophages. L'analyse de la porosité à partir desmesures de densité apparente et de la porosimétrie au mercure a permis de quantifier ladiminution de porosité associée à cette évolution structurale. Les résultats indiquent que lesmicroagrégats ne sont pas des édifices rigides lors de la dessiccation et mettent en évidencele rôle significatif de la matière organique dans ce comportement. L'analyse de la littératuremontre qu'il existe une relation très générale entre la quantité d'argile et le volume poral ausein des microagrégats des Ferralsols. Les propriétés de rétention en eau sont fortementaffectées après la mise en prairie pâturée et cette évolution est étroitement liée à l'évolutionde la structure, en particulier avec l'envahissement des 40 cm supérieurs du sol souspâturage par de très nombreux volumes compacts correspondant à des turricules. Sur leplan méthodologique, la méthode par évaporation surestime les valeurs de conductivitéhydraulique à l'état saturé par rapport à celles qui sont mesurées directement. Les résultatsrévèlent aussi que la conductivité hydraulique à saturation serait en relation avec les poresde diamètre équivalent supérieur à 100 um. La conductivité hydraulique calculée à -50 et-900 hPa apparaît en revanche être liée au développement de la microagrégation.

ABSTRACTThe objective was to study the evolution ofphysical properties ofFerralsols when

they are cultivated. Two sites were selected and for each one, a soil under native vegetationand a soil under a cultivated pasture characterized by low productivity. The soils are sandy­clay and clayey Ferralsols. They showed highly developed microstructure withmicroaggregates from 50 to 300 um that resulted from termite activity. Juxtaposed 10 thesemicroaggregates, other aggregates from 500 to 1000 um were found, frequently observed incompact volumes from 2 to 20 mm. They were produced by geophageous earthworms. Theanalysis of porosity was carried out with bulk: density and Mercury porosimetrydeterrninations. The results showed that the microaggregates are not rigid fabric whensubmitted to shrinkage highlighting the role of the organic matter in this behavior. Theshrinkage appears being correlated with the organic carbon content but in a drying statepore volume of the clayey phase depends on the clay content. The analysis of the literatureclearly shows a general relation between the amount of clay and the pore volume within themicroaggregates. The results showed also that the water retention properties are stronglyaffected by soil usage. This transformation is closely related to the structure evolution, inparticular with the development of compact volumes corresponding 10 earthworm casts inthe 40 cm topsoil under pasture. Additionally, our result show that the evaporation methodover-estimates the values of saturated hydraulic conductivity compared to those measureddirectly. They also reveal that saturated hydraulic conductivity would be in relation to thepores of diameter higher than 100 um, The calculated hydraulic conductivity at -50 and-900 hPa appears 10 be related 10 the development of the microaggregation.