LA NAISSANCE DES SOLS

Comment la roche devient un sol vivant

Un sol n’apparaît pas soudainement.

Il ne suffit pas qu’une roche se fracture pour qu’un sol existe. La formation d’un véritable sol résulte d’une succession de transformations physiques, chimiques et biologiques, auxquelles s’ajoutent l’action du climat, du relief, des organismes vivants et du temps.

Cette transformation est extrêmement lente à l’échelle humaine.

Un sol peut mettre :

quelques siècles à se mettre en place dans certaines situations favorables ;
plusieurs millénaires à acquérir une organisation et des propriétés importantes ;
des dizaines de milliers d’années, voire davantage, pour atteindre certains degrés de différenciation et d’évolution.

Mais ces durées ne sont pas universelles. La vitesse de pédogenèse dépend fortement du matériau parental, du climat, de la topographie, de la végétation, du drainage et des perturbations.

Un sol est donc le résultat d’une histoire.

Et cette histoire reste inscrite dans son profil.

1. La pédogenèse : naissance et évolution du sol

La science qui étudie la formation et l’évolution des sols est la pédologie.

Le processus de formation d’un sol est appelé pédogenèse.

Il peut être représenté de manière simplifiée :

              ROCHE / MATÉRIAU                     │          ┌──────────┼──────────┐          ↓          ↓          ↓       physique   chimique   biologique          │          │          │          └──────────┼──────────┘                     ↓          particules + minéraux                     ↓             matière organique                     ↓               vie du sol                     ↓                 agrégats                     ↓                horizons                     ↓                   SOL                     ↓              évolution continue

Le processus n’est cependant jamais réellement terminé.

Un sol continue à évoluer aussi longtemps que les conditions environnementales continuent d’agir.

2. Le matériau parental : le point de départ

La formation d’un sol commence généralement à partir d’un matériau parental.

Il peut s’agir :

d’une roche en place ;
d’un matériau volcanique ;
d’alluvions ;
de colluvions ;
de loess ;
de dépôts glaciaires ;
de sédiments ;
de matériaux déjà issus d’un sol plus ancien.

La roche ou le matériau initial fournit une grande partie de la composante minérale du futur sol.

Mais il faut immédiatement introduire une distinction fondamentale :

Le matériau parental n’est pas encore un sol.

Une roche peut fournir les minéraux nécessaires à la formation d’un sol sans posséder :

une structure pédologique ;
des horizons ;
une activité biologique comparable ;
une dynamique hydrique organisée ;
une accumulation significative de matière organique.

3. Première étape : fragmenter la roche

La première transformation importante est souvent la désagrégation physique.

Une roche massive devient progressivement un assemblage de fragments de plus en plus petits.

Cette fragmentation augmente considérablement la surface disponible pour les réactions chimiques et biologiques.

Une roche compacte possède relativement peu de surface exposée.

Après fragmentation :

ROCHE MASSIVE      ↓BLOCS      ↓FRAGMENTS      ↓GRAVIERS      ↓SABLES      ↓PARTICULES PLUS FINES

Plus la surface spécifique augmente, plus l’altération peut devenir efficace.

4. L’altération physique

L’altération physique correspond aux processus qui fragmentent ou désagrègent les matériaux sans nécessairement modifier leur composition chimique fondamentale.

Plusieurs mécanismes peuvent intervenir.

4.1. Les variations de température

Les roches se dilatent lorsqu’elles chauffent et se contractent lorsqu’elles refroidissent.

Sur de longues périodes, ces variations répétées peuvent favoriser :

fissuration ;
décollement de certains grains ;
désagrégation.

L’effet est particulièrement important lorsque les amplitudes thermiques sont fortes.

5. Le gel et le dégel

L’eau pénètre dans les fissures.

Lorsqu’elle gèle, son volume augmente.

La pression exercée peut progressivement élargir les fissures.

fissure   ↓entrée d'eau   ↓gel   ↓augmentation de volume   ↓pression   ↓élargissement   ↓fragmentation

Les cycles répétés peuvent ainsi transformer une masse rocheuse en matériaux fragmentés.

Ce mécanisme est particulièrement important dans les régions soumises au gel.

6. L’action de l’eau

L’eau agit également mécaniquement.

Elle peut :

transporter des particules ;
provoquer de l’érosion ;
pénétrer dans les fissures ;
désagréger certains matériaux ;
déplacer les produits d’altération.

Les cours d’eau peuvent ainsi produire progressivement des matériaux qui seront ensuite déposés dans les plaines alluviales.

7. L’érosion et le transport

La formation d’un sol n’est pas uniquement une transformation sur place.

Les matériaux peuvent être :

arrachés ;
transportés ;
déposés ;
remaniés.

Un sol peut donc se développer sur un matériau provenant d’un autre endroit.

C’est une raison importante pour laquelle il est préférable de parler de matériau parental plutôt que de supposer systématiquement une formation directement à partir de la roche située sous le sol.

8. L’altération chimique

L’altération chimique modifie véritablement les minéraux.

L’eau joue ici un rôle majeur.

Elle agit souvent avec :

le dioxyde de carbone ;
les acides organiques ;
l’oxygène ;
les ions dissous.

Les réactions peuvent transformer les minéraux primaires en nouveaux minéraux, notamment des minéraux argileux.

9. La dissolution

Certains minéraux sont relativement solubles.

Le cas du carbonate de calcium est particulièrement important dans les environnements calcaires.

L’eau chargée en CO₂ peut favoriser la dissolution du carbonate.

On peut simplifier le phénomène par :CO2+H2O⇌H2CO3

L’acide carbonique ainsi formé participe aux réactions avec les carbonates.

Dans les paysages calcaires, cette dynamique peut conduire à la formation :

de cavités ;
de conduits ;
de dolines ;
de réseaux karstiques.

Le sol et l’hydrogéologie sont alors intimement liés.

10. L’hydrolyse des minéraux

L’eau participe également à l’altération des silicates.

Les feldspaths, par exemple, peuvent évoluer vers des minéraux secondaires tels que certaines argiles.

De manière très simplifiée :

MINÉRAL PRIMAIRE       ↓     EAU       ↓   HYDROLYSE       ↓MINÉRAUX SECONDAIRES       +IONS EN SOLUTION

Ces transformations contribuent progressivement à la constitution de la fraction fine du sol.

11. L’oxydation

L’oxygène intervient dans l’altération de nombreux minéraux.

Le fer constitue un exemple particulièrement visible.

Des minéraux contenant du fer peuvent s’oxyder et produire des composés donnant au sol des couleurs :

rouges ;
jaunes ;
brunes.

La couleur d’un sol peut donc parfois fournir des indications sur :

son drainage ;
son régime d’oxygénation ;
sa minéralogie ;
son histoire.

12. Le rôle essentiel du CO₂

Le CO₂ atmosphérique n’est pas seulement un gaz climatique.

Dans le sol, les racines et les microorganismes produisent également du CO₂ par respiration.

Le CO₂ dissous dans l’eau contribue à modifier sa chimie et peut accélérer certaines réactions d’altération.

On retrouve donc déjà une boucle :

vie → CO₂ → eau → altération → minéraux → sol.

13. L’altération biologique

Le vivant devient progressivement un véritable agent géologique.

Les organismes peuvent :

fissurer les roches ;
produire des acides organiques ;
mobiliser des éléments minéraux ;
créer des pores ;
accumuler de la matière organique ;
transformer les minéraux.

La formation du sol devient alors une véritable interaction entre géologie et biologie.

14. Les racines comme agents géologiques

Une racine peut pénétrer dans une petite fissure.

En grandissant, elle exerce une pression.

La fissure s’élargit.

L’eau et les microorganismes peuvent alors pénétrer davantage.

ROCHE  ↓fissure  ↓racine  ↓croissance  ↓élargissement  ↓fragmentation  ↓nouveau matériau

La végétation participe donc directement à la transformation des matériaux géologiques.

15. Les lichens : pionniers de la pédogenèse

Dans de nombreux milieux, les lichens peuvent coloniser des surfaces rocheuses nues.

Ils contribuent :

à l’altération de la surface ;
à l’accumulation de matière organique ;
à la rétention de particules ;
à la création progressive d’un environnement favorable à d’autres organismes.

Une succession peut alors apparaître :

ROCHE NUE   ↓LICHENS   ↓MICROORGANISMES   ↓MOUSSES   ↓HERBACÉES   ↓ARBUSTES   ↓ARBRES

Il s’agit d’un exemple de succession écologique primaire.

16. Les microorganismes

Les microorganismes jouent un rôle particulièrement important.

Ils :

décomposent la matière organique ;
produisent des composés organiques ;
modifient localement le pH ;
mobilisent certains éléments ;
participent à la formation des agrégats.

La pédogenèse devient alors progressivement une construction biologique autant que géologique.

17. La matière organique : le basculement vers un véritable sol vivant

Lorsque les organismes colonisent le matériau minéral, de la biomasse commence à s’accumuler.

Elle provient notamment :

des feuilles ;
des racines ;
des exsudats ;
des organismes morts ;
des déjections.

La matière organique devient alors un composant majeur du système.

Elle nourrit les microorganismes et contribue à la formation de structures plus complexes.

18. La naissance des agrégats

Un sol n’est pas simplement constitué de particules indépendantes.

Les particules peuvent s’organiser en agrégats.

La matière organique, les racines, les champignons et certains composés minéraux contribuent à leur stabilisation.

On passe ainsi progressivement :

PARTICULES    ↓ASSOCIATIONS    ↓AGRÉGATS    ↓RÉSEAU DE PORES    ↓STRUCTURE DU SOL

C’est un tournant majeur.

Le matériau devient progressivement un milieu structuré capable de stocker et de faire circuler l’eau et l’air.

19. La naissance du réseau hydrologique du sol

À mesure que la structure se développe, les pores deviennent essentiels.

Certains permettent :

l’infiltration rapide ;
le drainage ;
l’aération.

D’autres permettent :

le stockage ;
la rétention capillaire ;
la disponibilité de l’eau pour les racines.

La pédogenèse devient donc également une construction hydrologique.

20. Le rôle du climat

Le climat constitue l’un des cinq grands facteurs classiques de la formation des sols.

Il influence notamment :

température ;
précipitations ;
évaporation ;
durée des périodes humides ;
gel ;
activité biologique ;
vitesse d’altération.

Un climat chaud et humide peut favoriser certaines transformations minérales et biologiques beaucoup plus rapidement qu’un climat froid et sec.

Mais il faut éviter les règles trop simplistes.

Le même climat peut produire des sols différents selon :

la roche ;
le relief ;
le drainage ;
la végétation ;
le temps.

21. Le rôle du relief

Le relief contrôle notamment :

l’écoulement de l’eau ;
l’érosion ;
l’accumulation des matériaux ;
l’exposition au soleil ;
la température locale ;
le drainage.

Sur une pente forte :

érosion ↑

et souvent :

épaisseur du sol ↓

alors qu’en position basse :

accumulation ↑

et potentiellement :

épaisseur du sol ↑.

Mais la relation n’est pas systématique : elle dépend notamment de la lithologie, de la couverture végétale et du régime hydrologique.

22. Le rôle de la végétation

La végétation influence directement la formation du sol.

Elle :

protège contre l’érosion ;
produit de la biomasse ;
fournit du carbone ;
développe des racines ;
favorise l’activité microbienne ;
modifie le microclimat ;
intercepte les précipitations ;
influence l’évapotranspiration.

La végétation peut donc accélérer certaines composantes de la pédogenèse tout en ralentissant l’érosion.

23. Le rôle des organismes

Le sol se construit progressivement grâce à une communauté biologique.

On retrouve notamment :

bactéries ;
champignons ;
algues ;
protozoaires ;
nématodes ;
collemboles ;
acariens ;
vers de terre ;
insectes ;
racines.

Chaque groupe intervient à un niveau différent.

Le sol devient progressivement un écosystème auto-organisé.

24. Le facteur temps

Le temps constitue le cinquième grand facteur de la pédogenèse.

On peut schématiser :

ROCHE │ │  temps ↓ALTÉRATION │ ↓MATÉRIAU FRAGMENTÉ │ ↓COLONISATION BIOLOGIQUE │ ↓MATIÈRE ORGANIQUE │ ↓STRUCTURE │ ↓HORIZONS │ ↓SOL DIFFÉRENCIÉ

Mais cette chronologie est conceptuelle.

Dans la réalité, les processus se chevauchent.

25. Combien de temps faut-il pour former un sol ?

Il n’existe pas une durée universelle.

La réponse dépend fortement du contexte.

Quelques siècles

Des sols superficiels peuvent se développer relativement rapidement dans certains environnements où les matériaux sont déjà altérés et où la production biologique est importante.

Plusieurs millénaires

C’est une échelle fréquente pour l’installation et la différenciation de nombreux sols.

Des dizaines de milliers d’années

Certains sols très différenciés ou certains paysages anciens ont une histoire beaucoup plus longue.

Et parfois beaucoup plus longtemps

Dans certains environnements stables, des profils pédologiques peuvent porter la trace de périodes géologiques très anciennes.

Il faut donc retenir :

la pédogenèse est généralement lente, mais sa vitesse varie de plusieurs ordres de grandeur selon les environnements.

26. Une notion essentielle : formation ≠ restauration

C’est une distinction fondamentale pour l’agroclimatologie.

Créer un sol à partir d’un matériau minéral peut prendre très longtemps.

Restaurer certaines fonctions d’un sol dégradé peut être beaucoup plus rapide.

Par exemple, on peut parfois améliorer relativement rapidement :

infiltration ;
stabilité structurale ;
couverture ;
activité biologique ;
teneur en matière organique superficielle.

Mais restaurer un profil pédologique complet, sa profondeur et toutes ses propriétés peut nécessiter des décennies, voire beaucoup plus.

Restaurer une fonction du sol n’est pas recréer instantanément un sol ancien.

Cette distinction sera essentielle dans les chapitres consacrés à la régénération.

27. Le rôle de l’homme

L’homme est aujourd’hui devenu un facteur pédogénétique majeur.

Il peut accélérer ou ralentir certaines transformations.

Actions favorables

couverture permanente ;
agroforesterie ;
apport raisonné de matière organique ;
réduction du travail du sol ;
maintien des racines ;
restauration hydrologique ;
lutte contre l’érosion.

Actions dégradantes

déforestation ;
travail intensif ;
compaction ;
artificialisation ;
érosion accélérée ;
perte de matière organique ;
salinisation ;
pollution.

L’être humain peut donc devenir :

un facteur de dégradation du sol ou un agent de sa restauration.

28. Le paradoxe de la pédogenèse

Un sol peut mettre des milliers d’années à se former.

Et pourtant, certaines de ses fonctions peuvent être fortement dégradées en :

quelques années ;
quelques décennies ;
parfois en quelques événements extrêmes.

Cette asymétrie est fondamentale.

FORMATION──────────────────────────────→      siècles → millénairesDÉGRADATION────────────→      années → décennies

La conservation des sols devient donc une question stratégique.

29. Le sol comme mémoire du climat

Un sol conserve parfois les traces de son histoire.

On peut y retrouver des indices liés à :

anciennes conditions hydriques ;
végétation passée ;
phases d’oxydation ;
dépôts ;
érosion ;
incendies ;
occupations humaines.

Le profil pédologique peut ainsi être considéré comme une archive environnementale.

30. Les cinq facteurs fondamentaux

La formation des sols peut finalement être résumée par les cinq facteurs classiques :Sol=f(climat, organismes, relief, mateˊriau parental, temps)

Avec l’action humaine qui, dans les paysages contemporains, doit être considérée comme un facteur majeur de transformation.

                CLIMAT                  ↓ROCHE → PÉDOGENÈSE ← ORGANISMES                  ↑                RELIEF                  ↑                 TEMPS                  +               HOMME                  ↓                 SOL

31. Une machine naturelle de transformation

On peut maintenant comprendre le sol comme une véritable machine géologique et biologique.

Elle transforme :

roche → minéraux altérés

matière végétale → matière organique

pluie → eau stockée

CO₂ → carbone biologique puis organique

nutriments minéraux → formes biologiquement disponibles

et produit en retour :

biomasse ;
eau filtrée ;
CO₂ ;
éléments minéraux ;
structure ;
habitat.

32. La grande boucle Omakëya™

Dans la Vision Omakëya™, la naissance du sol constitue la première grande boucle de l’ingénierie écologique :

                 CLIMAT                   ↓                PLUIE                   ↓                  EAU                   ↓          ALTÉRATION DE LA ROCHE                   ↓                MINÉRAUX                   ↓             COLONISATION               BIOLOGIQUE                   ↓             VÉGÉTATION                   ↓               BIOMASSE                   ↓          MATIÈRE ORGANIQUE                   ↓          MICROBIOLOGIE                   ↓               AGRÉGATS                   ↓              POROSITÉ                   ↓             INFILTRATION                   ↓             EAU DISPONIBLE                   ↓              VÉGÉTATION                   ↺

Cette boucle explique pourquoi pédologie, hydrologie, botanique et microbiologie ne peuvent pas être étudiées séparément dans une approche agroclimatique.

33. Le principe à retenir

La naissance d’un sol n’est donc pas simplement :

roche → poussière → terre.

C’est plutôt :

roche + eau + climat + organismes + végétation + relief + temps → organisation progressive d’un système vivant.

Et cette organisation produit progressivement les propriétés qui nous intéressent pour l’ingénierie des écosystèmes :

infiltration ;
stockage de l’eau ;
fertilité ;
enracinement ;
biodiversité ;
stockage du carbone ;
résistance à l’érosion ;
régulation thermique ;
résilience.

Le sol est donc une construction lente du vivant sur un matériau géologique.

C’est cette construction que nous allons maintenant pouvoir étudier couche par couche, en commençant par la roche mère, les minéraux et les processus d’altération qui déterminent la naissance du matériau pédologique.