Chapitre 1 : Pédogenèse Introduction Le sol, objet d'étude de la Pédologie, peut être défini comme étant la couche superficielle de l'écorce terrestre qui, du fait de sa position à la surface de la lithosphère et de l'influence des facteurs du milieu qui y agissent, possède des caractéristiques morphologiques et minéralogiques ainsi que des propriétés physico-chimiques distinctes de celles du matériau originel dont il dérive. Dans ce cours, il s’agit pour l’apprenant, d’être capable de : décrire les différentes étapes du processus de formation des sols ; citer les facteurs qui interviennent dans ce processus ; décrire le mode d’action des facteurs de formation des sols. 1. Formation du sol Le processus de formation et d’évolution du sol ou pédogenèse comprend des étapes et des stades qui ne sont pas distincts les uns des autres. Pour faciliter la compréhension de ce processus, une schématisation de ses différentes étapes en six phases successives est proposée dans ce cours. 1.1. Etape 1 : Fragmentation et désagrégation de la roche-mère Les fortes variations de température (gel et dégel) provoquent la dilatation et la contraction des minéraux constitutifs des roches, ce qui entraîne la fissuration et l’éclatement des roches illustrés par la figure 1. Figure 1 : Fragmentation de la roche. 1 1.2. Etape 2 : Formation du squelette du sol L’eau pénètre dans les fissures, ameublit, désagrège la roche. Les minéraux constitutifs de la roche se séparent alors les uns des autres pour former des matériaux primaires de diamètre plus ou moins fins. Cette désagrégation physique ne modifie pas la constitution (nature) des minéraux primaires, elle provoque seulement leur division. Les éléments fins ainsi formés (Figure 2) résultant d'un simple héritage de la roche d'origine, sont dits hérités. Figure 2 : Squelette du sol ou arène 1.3. Etape 3 : Altération chimique des minéraux de la roche-mère L'altération chimique des minéraux s'opère par le biais de réactions chimiques en présence d'eau (hydrolyse). Les minéraux des roches sont composés d'éléments chimiques plus ou moins solubles. L'eau de pluie dissous les éléments chimiques et les libèrent sous forme soluble. Les minéraux primaires sont appauvris, ils perdent par dissolution des éléments chimiques ou en gagnent et se transforment en minéraux secondaires dits hérités. Certains éléments chimiques en solution se combinent, cristallisent (néoformation) en nouveaux minéraux secondaires dits néoformés. Les principaux minéraux secondaires néoformés sont : les argiles et les oxyhydroxydes (de fer, d'aluminium, de manganèse et de silicium) (Figure 3). Figure 3 : Argiles (A) et oxyhydroxydes (B). 2 1.4. Etape 4 : Colonisation du produit d’altération de la roche par les végétaux Le stade pionner Tout d'abord, viennent les végétaux que l'on qualifie de pionniers. Il s’agit de végétaux qui n'ont pas besoin de sol pour se développer. En effet, ils peuvent pousser sur la roche nue : ce sont, pour la plupart, des lichens (Figure 4), ainsi que des cyanobactéries, qui vivent, pour la plupart, dans l'eau, mais dont certaines espèces peuvent vivre à l'air libre, pour peu qu'il y ait un tout petit peu d'humidité. Ce sont elles qui forment des taches noires sur les rochers, à l'endroit où l'eau a coulé. Ils sont accompagnés de quelques plantes, essentiellement des mousses (Figure 4). Les mousses et les lichens n'ont pas vraiment de racines, ils n'ont pas besoin de sol. Par contre, ils retiennent l'eau, et, une fois qu'ils sont présents, ils constituent le premier apport de matière organique au sol dans la mesure où ces plantes, du fait de leur cycle de vie très court, meurent rapidement, pourrissent et intègrent le sol en formation. Quelques autres plantes peuvent les accompagner, qui elles, ont des racines, et ont donc besoin d'un sol, mais qui ont l'habitude des rochers : elles savent profiter de la moindre fissure de la roche, pour y trouver un tout petit peu de sol. Elles poussent donc plutôt entre les rochers que sur les rochers : ce sont les plantes « de rocaille » représentées essentiellement par les fougères. Figure 4 : Colonisation d'une roche par des lichens (A) et des mousses (B). 3 Le stade pelouse Dès lors que les végétaux pionniers ont préparé le terrain, c'est-à-dire, formé un petit peu de sol sur les rochers, apparaît le stade herbacé, ou stade pelouse. Comme son nom l'indique, il est essentiellement formé d'herbes, de toutes les sortes possibles, mais, essentiellement, des graminées. De nombreux invertébrés et rongeurs vivent en ces lieux. Tous ces organismes intègrent le sol à leur mort. Figure 5 : Sol couvert d’herbes. Le stade ligneux Après la pelouse, composée de plantes herbacées, apparaissent les premières plantes ligneuses, c'est-à-dire celles qui sont faites de bois, sans toutefois être des arbres : ce sont les buissons, les arbustes... Ces plantes sont vivaces, contrairement aux herbes, qui sont généralement annuelles. Elles vivent plus longtemps et s'installent durablement. Ce qui était, jusque-là, une pelouse commence alors à ressembler plutôt à des broussailles. A leur mort, ainsi qu’à celle des animaux qui peuplent le milieu, les débris pourrissent et incorporent le sol qui devient de plus en plus riche en matières organiques. Figure 6 : Paysage de broussailles. Le stade forestier Les arbres font leur apparition au stade forestier (Figure 7) où, désormais, le sol est suffisamment épais et riche en matières organiques, vu qu’il y a de plus en plus de débris végétaux qui tombent sur le sol. De plus, les nombreux animaux qui vivent dans ces forêts intègrent aussi le sol à leur mort. 4 Figure 7 : Paysage forestier. 1.5. Etape 5 : Humification La matière organique fraîche qui tombe sur le sol est progressivement transformée par la grande quantité d'organismes qui y vivent (bactéries, champignons, acariens, vers de terre, limaces, escargots, scarabées, fourmis, larves, taupes, mulots, etc.). Ces organismes décomposent la matière organique fraîche et libèrent ses composés (organiques et minéraux) qui vont subir un processus de minéralisation ou d'humification. La minéralisation libère des composés minéraux solubles, à savoir, les sulfates (SO42), phosphates (PO43-), ammonium (NH4+), nitrates (NO3−) ou gazeux constitué par le gaz carbonique (CO2). L’humification aboutit à l’obtention de l’humus, molécule nouvelle, complexe, de nature colloïdale. En effet, l'humus est composé de plusieurs composés humiques, les principaux étant les acides fulviques, les acides humiques et l'humine. Ces composés humiques sont susceptibles de se minéraliser lentement à leur tour : c'est la minéralisation secondaire où il se forme des minéraux solubles ou gazeux, à savoir : CO2, SO42-, PO43-, NH4+, NO3−, etc. 1.6. Etape 6 : Différenciation des horizons Les constituants du sol, produits de l’altération des roches et des activités biologiques, sont l’objet de phénomènes migratoires, notamment les mouvements de particules solides par gravité, par entraînement hydrique et par des mouvements sous forme soluble (Figure 8). 5 Les phénomènes migratoires qui affectent ces différents constituants conduisent à la formation de façon chronologique et au développement d’un ou de plusieurs couches du sol ou horizons qui se différencient les uns des autres par la présence, la proportion plus ou moins importante de matière organique, matière minérale et de fragments de roches altérées. La présence dans un horizon de certains caractères morphologiques spécifiques (constituants, structure, couleur, etc.) associés à divers autres éléments (positionnement par rapport aux autres horizons, etc.) a permis aux pédologues de définir plus de 70 types d’horizons appelés horizons de référence décrits et répertoriés dans le Référentiel Pédologique. Ces horizons sont dénommés O, A, B, E, S, C, R, M, etc., selon une nomenclature internationale. L’ensemble des horizons du sol constitue le profil de sol (Figure 9). Certains pédologues parlent de solum pour désigner l'ensemble des horizons pédologiques, y compris une petite épaisseur de roche-mère. Figure 8 : Différenciation des horizons du sol. 6 Figure 9 : Profil de sol dans un sous-bois. 2. Pédogenèse : définition et facteurs A la suite de la description du processus de formation du sol ou pédogenèse, il ressort que la pédogenèse (du grec pedon, sol, et de geneseôs, naissance), est l'ensemble des processus physiques, chimiques et biologiques qui, en interaction les uns avec les autres, aboutissent à la formation, la transformation ou la différenciation du sol. Les principaux facteurs de ce processus sont : la roche, le climat, les agents biologiques, la topographie et le temps. En effet : le sol se forme toujours à partir d’un matériau parental qui est une roche de laquelle il hérite directement certains caractères ; dans les climats très pluvieux, le sol a tendance à s'appauvrir car il est traversé par d'importantes quantités d’eau de pluie alors que dans les climats secs, l'eau n'est pas en quantité suffisante pour lessiver les ions libérés par l'altération, si bien que ces ions s'accumulent au sein du sol, créant ainsi des risques de salinisation si, par exemple, le sodium ou le calcium est abondant dans l'environnement ; par ailleurs, certains climats maintiennent un équilibre avec le sol qui se révèle alors être ni trop pauvre ni trop riche en Na, Ca, etc. 7 les agents biologiques, à savoir, les racines, animaux fouisseurs, champignons, bactéries, hommes, etc., agissent mécaniquement (brassage des couches du sol) et surtout chimiquement sur le sol. l'eau qui circule sur les pentes véhicule à la fois des ions en solution et des matières en suspension. Parfois, c'est toute la couverture pédologique qui se déplace vers le bas, provoquant, avec le temps, une différenciation des sols sur les versants. le processus de lessivage du sol par l'eau de pluie évoqué précédemment demande du temps. Il faut au moins cent mille ans pour créer un sol "lessivé". En Afrique, l'unité de durée en pédogenèse est le million d'années, voire la dizaine de millions d'années. Conclusion Le sol est un substrat complexe composé de matières minérales mais également de matières organiques, ce qui en fait un milieu particulier, unique. Sa formation est étroitement liée à l’apparition de la vie sur Terre et dépend tant des contraintes physiques (gel, vent, pluie…) que de l’activité biologique. Sa composition varie selon le type de roche mère, chose que nous verrons dans le chapitre 2 pour continuer à mieux connaitre le sol. Quelques références Regards sur le sol, A. Ruellan, M. Dosso, Foucher, Paris, 1993 Sols et environnements, Michel-Claude Girard, Christian Walter,Jean-Claude Rémy,Jacques Berthelin, Jean-Louis Morel, Dunod, 2011. Dictionnaire de Science du Sol, Lozet Jean, Mathieu Clément, Lavoisier, 2002. Le sol, la terre et les champs, Bourguignon Claude et Lydia ,Sang De La Terre, 2008 Introduction à la science du sol, Duchaufour Philippe, Dunod, 2001. Etude des sols, Girard Michel-Claude, Schvartz Christian, Jabiol Bernard, Dunod, 2011. Guide pour la description des sols, Baize Denis, Jabiol Bernard, Editions Quae, 2011. Grands paysages pédologiques de France, Jamagne Marcel , Editions Quae, 2011. Les principaux sols du monde, Mathieu Clément, Lavoisier, 2009. Le monde secret du sol, Touyre Patricia, Delachaux et Niestlé, Paris, 2001. Référenciel pédologique 2008, AFES, Editions Quae, 2009. The role of soil-forming processes in the definition of taxa in Soil Taxonomy and the Word Reference Base. Geoderma, 95, p. 53-72. BOCKHEIM J.G., GENNADIYEV A.N., 2000. Introduction à la Science du Sol. Sol, végétation, environnement. Dunod, 331 p. DUCHAUFOUR Ph. 2001. Les Grands Sols du Monde. Presses Polytechniques et Universitaires de Lausanne, 575 p. zidi, 2012 p. 04. LEGROS J.P., 2007. 8