Les enjeux de la gestion des sols

Résumé en cinq points

Notions et mécanismes

La notion de service écosystémique

Un service écosystémique est un bénéfice que les sociétés humaines tirent du fonctionnement d'un écosystème. La notion est utile parce qu'elle rend comparables des fonctions écologiques et des besoins humains, et parce qu'elle permet de quantifier ce qui est perdu quand l'écosystème est dégradé. Il faut cependant la manier avec précaution, puisqu'elle définit l'écosystème par son utilité, ce qui n'épuise pas sa valeur.

On distingue classiquement les services d'approvisionnement, qui fournissent des biens, les services de régulation, qui stabilisent des processus, les services culturels, et les services de soutien, qui conditionnent les précédents. Le programme retient explicitement deux catégories pour les sols.

Les services d'approvisionnement et la fertilité

Le sol est le support de la production alimentaire. La très grande majorité de ce que les humains consomment provient directement ou indirectement de plantes enracinées dans un sol. Il fournit également le bois, les fibres et de nombreuses matières premières.

Ce service repose sur la fertilité, qui n'est pas une propriété unique mais la combinaison de trois composantes qu'il faut savoir distinguer.

La fertilité chimique est la capacité du sol à fournir les éléments nutritifs. Elle dépend de la capacité d'échange cationique, donc des teneurs en argiles et en matière organique, du pH, et de la vitesse de minéralisation de la matière organique qui libère azote, phosphore et soufre.

La fertilité physique est la capacité du sol à offrir aux racines un milieu pénétrable, aéré et pourvu en eau. Elle dépend de la texture, mais surtout de la structure, c'est-à-dire de l'organisation des particules en agrégats stables, et de la porosité qui en découle. Elle se mesure entre autres par la réserve utile en eau.

La fertilité biologique est l'activité des organismes du sol, qui assurent la décomposition, la minéralisation, le maintien de la structure, la bioturbation, et les symbioses racinaires, mycorhizes et fixation symbiotique de l'azote.

Ces trois composantes sont liées. La matière organique intervient dans les trois à la fois, puisqu'elle apporte la capacité d'échange, cimente les agrégats et nourrit la vie du sol. C'est pourquoi son évolution est l'indicateur central de toute évaluation d'une pratique.

Les services de régulation et le stockage de carbone

Le service de régulation retenu par le programme est le stockage de carbone, en lien avec le climat.

Le raisonnement est celui du cycle du carbone. Les sols contiennent, à l'échelle mondiale, un stock de carbone organique supérieur à celui de la végétation et de l'atmosphère réunies, de l'ordre de mille cinq cents à deux mille gigatonnes de carbone. Une variation même modeste de ce stock a donc un effet sensible sur le dioxyde de carbone atmosphérique.

Ce stock résulte d'un équilibre entre deux flux, les entrées de matière organique fraîche, litière aérienne, racines mortes et exsudats racinaires, et les sorties par minéralisation. Toute pratique qui augmente les entrées ou ralentit la minéralisation augmente le stock, et réciproquement. On exprime ce stock en tonnes de carbone par hectare, pour une profondeur donnée, généralement les trente premiers centimètres, et l'ordre de grandeur va de quelques dizaines de tonnes par hectare en sol cultivé à près du double sous prairie permanente ou sous forêt.

Deux autres services de régulation méritent d'être cités, car ils sont mobilisés dans les documents. La régulation du cycle de l'eau : un sol structuré et poreux infiltre l'eau au lieu de la laisser ruisseler, ce qui recharge les nappes et atténue les crues. Et l'épuration : le complexe d'échange retient des cations, y compris des métaux, et l'activité microbienne dégrade de nombreuses molécules organiques, ce qui filtre l'eau qui traverse le sol.

Enfin, le sol est un service de soutien majeur, puisqu'il héberge une fraction considérable de la biodiversité terrestre et qu'il est le siège du bouclage des cycles du carbone et de l'azote.

L'impact du labour

Le labour est le retournement du sol sur une vingtaine à une trentaine de centimètres. Le programme en fait l'étude de cas obligatoire, et la démarche attendue est de peser ses effets service par service.

Les objectifs recherchés sont réels et doivent être présentés d'abord. Le labour enfouit les résidus de culture et les amendements, il détruit mécaniquement les adventices sans herbicide, il ameublit un horizon tassé, il réchauffe et assèche le lit de semence au printemps, ce qui facilite la levée.

Ses effets sur la fertilité sont ensuite à discuter. L'ameublissement immédiat améliore la pénétration des racines, mais il est transitoire. Le retournement détruit les agrégats et expose brutalement à l'air une matière organique jusque-là protégée à l'intérieur de ces agrégats. La minéralisation s'accélère donc fortement après le labour, ce qui libère une bouffée d'azote minéral. Cet azote est disponible pour la culture s'il est prélevé au bon moment, mais il est lessivé sous forme de nitrate s'il est libéré hors période de végétation. Par ailleurs, le passage répété des outils à la même profondeur tasse l'horizon situé juste sous la couche travaillée et y forme une semelle de labour compacte, qui limite l'enracinement profond et l'infiltration.

Ses effets sur la biodiversité du sol sont nets. Le retournement détruit les galeries des vers de terre, blesse et expose les individus, en particulier les espèces de grande taille qui creusent des galeries verticales et jouent le principal rôle dans la bioturbation et dans l'enfouissement de la litière. Il rompt également les réseaux de mycélium des champignons mycorhiziens. La mésofaune et la macrofaune sont donc appauvries dans les systèmes labourés régulièrement, par rapport à des sols non travaillés. La conséquence est circulaire : moins d'organismes ingénieurs signifie moins de galeries, donc une dégradation de la structure, que le labour doit ensuite corriger mécaniquement.

Ses effets sur l'érosion découlent de l'état de surface. Un sol labouré puis affiné est laissé nu et déstructuré en surface pendant une partie de l'année. Il est donc exposé à la battance sous l'impact des gouttes de pluie, ce qui crée une croûte imperméable, favorise le ruissellement et donc l'entraînement des particules. Les pertes de sol mesurées en grandes cultures labourées atteignent couramment plusieurs tonnes par hectare et par an, alors que la formation d'un sol ne produit qu'une fraction de tonne par hectare et par an. Le bilan est déficitaire, et la dissymétrie des temps interdit toute compensation.

Ses effets sur le stockage de carbone résultent des précédents. L'accélération de la minéralisation et l'export de particules par l'érosion diminuent le stock de carbone organique. Le passage d'une prairie permanente ou d'une forêt à une culture labourée s'accompagne, sur quelques décennies, de la perte d'une fraction importante du stock initial, souvent de l'ordre de la moitié dans l'horizon travaillé.

La conclusion attendue n'est pas un rejet en bloc, mais l'énoncé d'un compromis. Le labour rend des services immédiats et permet de se passer de certains intrants, notamment d'herbicides, mais il dégrade sur le long terme la structure, la biodiversité, le stock de carbone et la résistance à l'érosion. Les pratiques alternatives, travail simplifié du sol, semis direct, couverture végétale permanente du sol entre deux cultures, restitution des résidus, apports de matières organiques et agroforesterie, visent à maintenir un couvert et à limiter les perturbations. Il faut cependant les présenter avec la même nuance : le semis direct concentre le carbone en surface plutôt qu'il ne l'augmente nécessairement sur tout le profil, et il peut s'accompagner d'un recours accru aux herbicides. C'est cette capacité à discuter des deux côtés que le programme demande.

L'artificialisation des sols

L'artificialisation est la transformation d'un sol naturel, agricole ou forestier en surface bâtie, revêtue ou aménagée. Elle recouvre des degrés variables, depuis l'imperméabilisation totale sous un bâtiment ou une chaussée jusqu'à des aménagements partiellement perméables comme les jardins et les parcs.

Ses moteurs sont l'étalement urbain, l'habitat individuel peu dense, les zones d'activité et commerciales en périphérie, et les infrastructures de transport. Un point est régulièrement demandé : l'artificialisation croît plus vite que la population, parce que la surface consommée par habitant augmente. La densité urbaine est donc un paramètre aussi important que la démographie.

Sa localisation aggrave l'effet. Les villes se sont historiquement installées dans des plaines et des fonds de vallée, sur des sols profonds et fertiles. L'extension urbaine consomme donc préférentiellement des sols de bonne qualité agronomique, et non des terres marginales.

Les conséquences se lisent comme la perte des services décrits plus haut. La production alimentaire est supprimée sur la surface concernée. Le stockage de carbone est perdu, et le déstockage lié au décapage s'ajoute aux émissions du chantier. L'imperméabilisation supprime l'infiltration, ce qui augmente le ruissellement, accroît l'intensité des crues en aval et réduit la recharge des nappes. La régulation thermique locale disparaît, ce qui contribue à l'îlot de chaleur urbain, l'évapotranspiration d'une surface végétalisée ayant un effet rafraîchissant qu'un revêtement n'a pas. L'habitat de la biodiversité du sol est détruit, et les surfaces restantes sont fragmentées.

Le caractère quasi irréversible de cette perte est l'argument central. Désartificialiser une surface ne restitue pas un sol fonctionnel, puisqu'il faudrait reconstituer une structure, une matière organique et une biocénose dont la mise en place demande des siècles à des millénaires.

Exemples et ordres de grandeur

• Stock de carbone organique des sols du monde, de l'ordre de mille cinq cents à deux mille gigatonnes de carbone, soit davantage que l'atmosphère et la végétation réunies.
• Stock de carbone d'un sol, exprimé en tonnes de carbone par hectare sur trente centimètres, de quelques dizaines en sol cultivé à environ le double sous prairie permanente ou forêt.
• Perte d'une part importante du stock de carbone de l'horizon travaillé, souvent de l'ordre de la moitié, lors de la mise en culture labourée d'une prairie ou d'une forêt.
• Érosion en grandes cultures labourées, de l'ordre de plusieurs tonnes de sol par hectare et par an, contre une fraction de tonne par hectare et par an pour la formation du sol.
• Profondeur travaillée par un labour, vingt à trente centimètres.
• Artificialisation en France, de l'ordre de plusieurs dizaines de milliers d'hectares par an dans les décennies récentes, avec une croissance plus rapide que celle de la population.

Méthodes et savoir-faire

La quantification des services est le premier savoir-faire. Elle passe par le choix d'un indicateur mesurable, rendement pour l'approvisionnement, stock de carbone par hectare pour la régulation climatique, capacité d'infiltration ou coefficient de ruissellement pour la régulation hydrique, abondance et diversité des organismes pour le soutien. Devant des données, il faut toujours vérifier la profondeur et la surface de référence, sans quoi les comparaisons de stocks n'ont aucun sens.

La discussion d'une pratique agricole se conduit selon une grille fixe. On identifie la pratique et son objectif, puis on examine successivement ses effets sur la fertilité, sur la biodiversité du sol, sur l'érosion et sur le stockage de carbone, en distinguant à chaque fois l'effet immédiat et l'effet de long terme. On conclut par un compromis explicite, en nommant ce que la pratique apporte et ce qu'elle coûte. Deux exigences de méthode : comparer des situations qui ne diffèrent que par la pratique étudiée, et préciser la durée sur laquelle l'effet est mesuré, car beaucoup d'effets s'inversent selon l'échelle de temps.

La quantification de l'artificialisation autour d'une région urbaine est une capacité exigible. On dispose de documents cartographiques ou de photographies aériennes à deux dates, ou de données d'occupation du sol. On délimite une même zone d'étude sur les deux documents, on mesure la surface artificialisée à chaque date, on calcule la variation absolue, le taux de variation et le rythme annuel moyen. On compare ensuite ce rythme à l'évolution de la population sur la même période, pour montrer que la surface consommée par habitant augmente, et on repère la nature des sols consommés en superposant la carte des sols ou l'occupation agricole antérieure.

Une séance de travaux pratiques est consacrée à la biodiversité du sol et aux services rendus. Elle relie les organismes observés et identifiés aux fonctions qu'ils assurent, donc aux services qui en découlent, ce qui est exactement le raisonnement demandé à l'écrit.

À mobiliser en colle et à l'écrit

1. Définir un service écosystémique et classer les services rendus par les sols en approvisionnement, régulation et soutien.
2. Décomposer la fertilité en ses trois composantes et montrer que la matière organique intervient dans les trois.
3. Poser le stock de carbone d'un sol comme l'équilibre entre entrées de matière organique et minéralisation, et en déduire l'effet d'une pratique.
4. Discuter le labour service par service, en séparant effets immédiats et effets de long terme.
5. Expliquer la formation d'une semelle de labour et ses conséquences sur l'enracinement et l'infiltration.
6. Relier érosion, battance et absence de couvert végétal, et comparer les pertes de sol à sa vitesse de formation.
7. Quantifier une artificialisation à partir de deux documents datés et comparer son rythme à celui de la démographie.
8. Pièges fréquents : condamner ou défendre une pratique sans bilan contradictoire, comparer des stocks de carbone sans préciser la profondeur, oublier que l'artificialisation touche préférentiellement de bons sols, présenter la désartificialisation comme une restauration du sol.

Notions et mécanismes clés

• Service écosystémique : bénéfice que les sociétés tirent du fonctionnement d'un écosystème. La fonction est le processus écologique, le service est l'usage humain de cette fonction.
• Approvisionnement : biens fournis (aliments, bois, fibres). Régulation : processus stabilisés (climat, eau, épuration). Soutien : fonctions qui conditionnent les autres (cycles, habitat).
• Fertilité : aptitude d'un sol à porter une production, décomposée en fertilité chimique, physique et biologique.
• Capacité d'échange cationique : quantité de cations retenus de façon échangeable sur le complexe argilo-humique, en centimoles de charge par kilogramme. Elle mesure la réserve nutritive mobilisable.
• Réserve utile : eau retenue entre la capacité au champ et le point de flétrissement. Elle croît avec l'épaisseur du sol et dépend de la texture et de la matière organique.
• Structure : assemblage des particules en agrégats, stabilisés par les ciments organiques, les argiles floculées par le calcium et l'activité biologique.
• Densité apparente : masse de terre sèche par volume de sol en place, de 1,1 à 1,6 tonne par mètre cube. Elle augmente avec le tassement.
• Stock de carbone : teneur en carbone multipliée par la densité apparente et l'épaisseur, toujours rapporté à une surface et à une profondeur.
• Temps de résidence : stock divisé par le flux qui le traverse. Il donne l'échelle de temps de réponse du stock.
• Minéralisation : transformation de la matière organique en dioxyde de carbone, ammonium puis nitrate. Humification : transformation partielle en composés organiques plus stables.
• Protection physique : la matière organique enfermée dans les agrégats est peu accessible aux décomposeurs et au dioxygène. Détruire les agrégats la rend minéralisable.
• Semelle de labour : horizon compacté juste sous la profondeur travaillée, dû au passage répété des socs et au poids des engins.
• Battance : désagrégation des agrégats de surface par l'impact des gouttes, puis formation d'une croûte peu perméable. Les limons pauvres en matière organique y sont les plus sensibles.
• Érosion hydrique : arrachement puis transport de particules par le ruissellement, en nappe, puis en rigoles, puis en ravines.
• Vers de terre : les épigés vivent dans la litière, les endogés dans l'horizon organo-minéral, les anéciques creusent des galeries verticales et enfouissent la litière. Ces derniers souffrent le plus du labour.
• Couvert intermédiaire : culture semée entre deux cultures principales. Il couvre le sol, capte l'azote minéral et apporte de la matière organique.
• Artificialisation : passage d'un usage naturel, agricole ou forestier à un usage bâti, revêtu ou aménagé. L'imperméabilisation en est le cas extrême.
• Coefficient de ruissellement : fraction de la pluie qui ruisselle, proche de 1 sur un revêtement, faible sur prairie ou forêt.

Chaînes de raisonnement

Du labour au nitrate dans la rivière. Le retournement casse les agrégats et aère le sol, et la matière organique protégée devient accessible aux décomposeurs. La minéralisation libère de l'ammonium, nitrifié en nitrate, un anion peu retenu par un complexe chargé négativement. Sans racine pour le prélever, les pluies d'automne et d'hiver l'entraînent vers les nappes et les cours d'eau, où il contribue à l'eutrophisation.

De la battance à la coulée boueuse. Un sol nu, affiné et pauvre en matière organique a des agrégats instables. La pluie les désagrège et forme une croûte qui réduit l'infiltration. L'eau ruisselle, se concentre dans les points bas et emporte la terre fine, la plus riche en matière organique et en éléments nutritifs.

De la matière organique aux trois fertilités. Chargée négativement, elle augmente la capacité d'échange. Elle colle les particules en agrégats, ce qui augmente la porosité et la réserve utile. Elle nourrit la faune et les microorganismes, qui l'entretiennent en retour, et toute pratique se juge donc d'abord sur l'évolution de ce stock.

Le stock de carbone comme une baignoire. Le stock monte si les entrées dépassent la minéralisation et se stabilise quand les deux flux s'égalent. Un changement de pratique déplace cet équilibre, atteint seulement au bout de plusieurs temps de résidence, soit des décennies. Le déstockage est en général plus rapide que le restockage, car une mise en culture accélère brutalement la sortie alors qu'une hausse des apports agit progressivement.

Du ver de terre au service. Les anéciques creusent des galeries verticales continues, voies d'infiltration et passages pour les racines. Ils enfouissent la litière et mélangent matière organique et minéraux, ce qui construit des agrégats stables. Les détruire, c'est perdre un travail du sol gratuit que la machine doit ensuite remplacer.

De l'étalement urbain à la crue. Une surface imperméabilisée transforme presque toute la pluie en ruissellement, que les réseaux acheminent vite vers les rivières. Le pic de crue en aval est plus fort et plus précoce, et les nappes sont moins rechargées. La perte d'un sol a donc des effets bien au-delà de sa propre surface.

Exemples et références à connaître

1. L'Évaluation des écosystèmes pour le millénaire, rapport international de 2005, a popularisé la classification en quatre catégories de services. C'est la référence pour définir la notion.
2. Charles Darwin a consacré en 1881 son dernier ouvrage à la formation de la terre végétale par les vers de terre, première quantification de la bioturbation.
3. La biomasse lombricienne est de l'ordre de la tonne par hectare en prairie permanente, souvent nettement moindre en grande culture labourée. Les vers sont souvent la première biomasse animale d'un sol tempéré.
4. Le Dust Bowl des années 1930 : dans les Grandes Plaines d'Amérique du Nord, les prairies retournées puis laissées nues par une sécheresse ont été emportées par le vent. C'est l'exemple historique de l'érosion déclenchée par la mise en culture.
5. Les coulées boueuses des plateaux limoneux du nord de la France, notamment le Pays de Caux, associent battance, ruissellement concentré et dégâts en aval.
6. L'initiative « 4 pour 1000 », lancée par la France en 2015 : augmenter chaque année le stock de carbone des sols de quatre millièmes compenserait, en ordre de grandeur, l'accroissement annuel du carbone atmosphérique. Nuance obligatoire : ce stockage sature et reste réversible.
7. Le modèle de Hénin et Dupuis fait un bilan de la matière organique avec un coefficient d'humification des apports et un coefficient de minéralisation du stock. C'est un outil d'interprétation, non exigible.
8. L'artificialisation en France est de l'ordre de 20 000 à 30 000 hectares par an sur les dernières décennies, selon les sources et les définitions. La loi Climat et résilience de 2021 fixe un objectif de zéro artificialisation nette en 2050.
9. La formation d'un sol produit au plus de l'ordre d'une tonne par hectare et par an, soit moins d'un dixième de millimètre par an. Un sol brun lessivé s'est formé depuis la fin de la dernière glaciation, en environ dix mille ans.

Techniques

Calculer un stock de carbone

Le stock, en tonnes de carbone par hectare, vaut la teneur en grammes par kilogramme × la densité apparente en tonnes par mètre cube × l'épaisseur en mètres × 10. Le facteur 10 vient de ce qu'un hectare sur un mètre fait 10 000 mètres cubes, et qu'un gramme par kilogramme est un millième.

Mini-exemple. Une culture contient 12 grammes de carbone par kilogramme, densité 1,4, sur 0,3 mètre : 12 × 1,4 × 0,3 × 10, soit environ 50 tonnes par hectare. Une prairie voisine contient 22 grammes par kilogramme, densité 1,2 : environ 79 tonnes par hectare. La culture stocke environ 36 % de moins. Rigueur : les deux couches n'ont pas la même masse de terre, 4 200 contre 3 600 tonnes par hectare. Une comparaison rigoureuse se fait à masse de sol égale.

Raisonner avec un bilan de carbone

La variation annuelle du stock S vaut h × A moins k × S, avec A l'apport annuel de carbone, h la fraction humifiée et k la fraction du stock minéralisée chaque année. À l'équilibre, S vaut h × A divisé par k. Le temps caractéristique pour l'atteindre est de l'ordre de 1 sur k.

Mini-exemple. Avec A égal à 4 tonnes par hectare et par an, h à 0,2 et k à 0,02 par an, l'équilibre vaut 0,8 divisé par 0,02, soit 40 tonnes par hectare. Si les apports sont divisés par deux, l'équilibre tombe à 20 tonnes, atteint seulement en plusieurs fois 50 ans. Un essai de trois ans ne montre donc pas l'état final, et le stock d'équilibre est proportionnel aux apports.

Comparer érosion et pédogenèse

Un millimètre de sol sur un hectare représente 10 mètres cubes, soit environ 13 tonnes pour une densité de 1,3.

Mini-exemple. Une parcelle perd 8 tonnes par hectare et par an et le sol s'y forme à raison d'une tonne. La perte nette de 7 tonnes représente environ 0,54 millimètre par an. Trente centimètres d'horizon cultivé disparaissent en un peu plus de cinq siècles, alors qu'ils ont demandé des millénaires pour se former.

Quantifier une artificialisation

Sur une zone délimitée de façon identique aux deux dates, on calcule la variation absolue, le taux de variation (surface finale moins surface initiale, divisé par la surface initiale), le rythme annuel moyen et la surface artificialisée par habitant.

Mini-exemple. Une zone passe de 5 000 à 6 500 hectares artificialisés en trente ans, soit + 30 % et 50 hectares par an. La population passe de 400 000 à 440 000 habitants, soit + 10 %. La surface par habitant passe de 125 à environ 148 mètres carrés. L'artificialisation croît trois fois plus vite que la population.

Lire un document comparatif de pratiques

On vérifie cinq points avant d'interpréter : même sol et même climat, une seule variable qui diffère, durée de l'essai, profondeur de mesure, variabilité des résultats (répétitions, barres d'erreur). Un écart plus petit que la variabilité ne permet pas de conclure. Un effet mesuré au bout d'un an ne dit rien de l'effet à vingt ans.

Construire un plan de synthèse

Le gabarit efficace suit trois temps : les services rendus et leur support, leurs perturbations par une pratique, puis les compromis et les gestions possibles, chaque partie avec un indicateur chiffré. Pour « Le sol, un patrimoine à préserver », on montre ce que le sol rend, comment on le dégrade vite, puis pourquoi on le reconstitue lentement.

Sujets classiques traités

Choisis ton niveau. Difficulté indicative ; les exercices qui se suivent restent dans l'ordre.

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