Allons-y sur le terrain : quand les scientifiques observent les minéraux de fer dans les sols
Autrice: Katrin Schiedung
DOI: 10.5281/zenodo.21292982
Qu’ils soient oranges, rouilles ou jaunes, les oxydes de fer sont présents dans presque tous les sols de la planète. Ils contribuent à déterminer quels nutriments et quels polluants passent des terres agricoles aux céréales. Cependant, lorsque les sols sont submergés, ces minéraux d’à peine quelques micromètres peuvent perdre leur pouvoir de rétention. Ce phénomène est particulièrement prégnant dans la riziculture, où les champs sont souvent inondés pendant des mois pour contenir les mauvaises herbes. Une équipe de recherche de l’ETH Zurich a donc voulu comprendre plus précisément ce qu’il advient des oxydes de fer dans les sols inondés et a développé, à cet effet, une nouvelle méthode.
À gauche : une sonde redox permet de mesurer si un sol est pauvre en oxygène, signalant ainsi des conditions réductrices dans les sols inondés. | À droite : avant l’inondation des rizières, l’équipe de recherche a analysé les propriétés du sol sur un profil pédologique.
Source: Andrew Grigg
Lorsque l’eau stagne dans le sol, l’oxygène se raréfie et les bactéries réduisent le fer pour produire de l’énergie. Résultat : les oxydes de fer se dissolvent ou se transforment en d’autres minéraux de fer. Les éléments liés, à l’image du phosphate – un nutriment essentiel – ou de l’arsenic – une substance cancérogène –, peuvent ainsi être libérés et absorbés, par exemple, par les plants de riz. Une fois l’eau évacuée, l’oxygène pénètre à nouveau dans le sol. Le fer dissous s’oxyde, forme de nouveaux oxydes de fer, et le cycle recommence.
À gauche : dans les sols fréquemment inondés soumis à des variations du niveau de la nappe, les oxydes de fer sont nettement visibles sous forme de taches couleur rouille. | À droite : l’abondance d’oxydes de fer confère au sol une coloration résolument orange.
Source : Katrin Schiedung
Bien que ces processus soient bien documentés en laboratoire, on ignorait presque tout jusqu’ici du comportement réel des oxydes de fer dans le sol en conditions naturelles. C’est là que l’équipe de l’ETH Zurich est intervenue. Les scientifiques ont synthétisé des oxydes de fer et les ont marqués avec l’isotope stable du fer (57Fe), une variante légèrement plus lourde que le fer le plus abondant dans la nature (56Fe). Grâce à une technique de mesure capable de détecter uniquement cette forme de fer plus lourde, l’équipe a pu suivre l’évolution des minéraux dans le sol. Les échantillons ont été mélangés à de la terre, puis enterrés dans des rizières thaïlandaises, où ils sont restés quatre mois dans le sol inondé.
À gauche : les porte-échantillons fabriqués par impression 3D permettent un positionnement ciblé des échantillons à des profondeurs de sol bien précises. | À droite : l’équipe de recherche a enterré trois types différents de minéraux pour mener à bien ses analyses.
Source : Worachart Wisawapipat
Les résultats se sont révélés surprenants : si la goethite, un minéral de fer très courant, s’est formée comme prévu, le processus s’est avéré nettement plus lent dans la rizière qu’en laboratoire. Parallèlement, une phase de fer instable et particulièrement réactive s’est développée, un phénomène plus rare lors des essais en laboratoire. L’équipe de recherche suppose que la proximité immédiate des minéraux avec les divers composants dissous et solides du sol en est la cause. Il est également apparu que, dans les conditions d’inondation de la rizière, les oxydes de fer se dissolvaient davantage que ce qui avait été observé en laboratoire, en particulier lorsque les échantillons contenaient du phosphate supplémentaire. Comme le phosphate est fréquemment utilisé comme engrais dans la riziculture, il pourrait y altérer la fonction de rétention des oxydes de fer dans le sol.
Composée de huit personnes, l’équipe de recherche a également étudié d’autres minéraux de fer ainsi que des processus similaires dans différents écosystèmes, par exemple dans la mer des Wadden en Allemagne du Nord ou dans les tourbières islandaises. Les résultats démontrent à quel point les processus de transformation des minéraux de fer dans le sol sont complexes et dynamiques. Alors que les inondations dues aux pluies torrentielles vont se multiplier avec le changement climatique, il devient d’autant plus crucial de comprendre ces dynamiques. C’est la seule façon de développer des stratégies efficaces pour la protection des eaux et de garantir la culture durable des céréales et d’autres denrées alimentaires.
Pour sa thèse de doctorat sur la transformation des oxydes de fer, Katrin Schiedung a été récompensée en 2025 par la Société allemande de la science du sol (DBG), qui lui a décerné le prix Fritz Scheffer. Le projet a été initié et dirigé par le professeur Ruben Kretzschmar, qui est à la tête de la chaire de chimie du sol à l’ETH Zurich. Cette étude de terrain en Thaïlande a été rendue possible grâce à notre partenaire de projet, le professeur Worachart Wisawapipat de l’Université Kasetsart à Bangkok.
Katrin Schiedung
Thünen-Institut
Wissenschaftskommunikation
