Sol (pédologie)

Le sol représente la couche superficielle, meuble, de la croûte terrestre, résultant de la transformation de la roche mère, enrichie par des apports organiques.
Il est à la fois le support et le produit du Vivant. On différencie le sol de la croûte terrestre par la présence significative de vie. Le sol est aussi un des puits de carbone planétaires, mais semble perdre une partie de son carbone, de manière accélérée depuis au moins 20 ans .

Il existe plusieurs définitions du sol :

• Les agronomes nomment parfois sol la partie arable (pellicule superficielle) homogénéisée par les labours et explorée par les racines des plantes. on considère qu'un bon sol agricole est constitué de 25% d’eau, 25% d’air, 45% de matière minérale et de 5% de matière organique. Le tassement et la semelle de labour peuvent induire une perte de rendement de 10 à 30 %.
• Les pédologues estiment que la partie arable ne constitue que la partie superficielle du sol. Le pédologue Albert Demolon a défini le sol comme étant « la formation naturelle de surface, à structure meuble et d'épaisseur variable, résultant de la transformation de la roche mère sous-jacente sous l'influence de divers processus, physiques, chimiques et biologiques, au contact de l'atmosphère et des êtres vivants ».
• Les responsables de l'aménagement du territoire distinguent les sols agricoles, les sols boisés, les sols bâtis et les autres sols.

La science qui étudie les sols, leur formation, leur constitution et leur évolution, est la pédologie. Plus généralement, aujourd'hui, on parle de science du sol, englobant ainsi toutes les disciplines (biologie, chimie, physique) qui s'intéressent pro parte au sol.

Constituants des sols

La fraction minérale

La fraction minérale représente l'ensemble des produits de la dégradation physique puis chimique de la roche mère.

On peut les classer par diamètres décroissants :

• les sables
• les limons
• l'argile granulométrique

Voir l'article détaillé Granulométrie.

Tous ces éléments constituent le « squelette » du sol.

La fraction organique

La matière organique du sol peut être définie comme une matière carbonée provenant de la décomposition et du métabolisme d'êtres vivants végétaux, animaux et microbiens. Elle constitue l'humus.

Elle est composée d'éléments principaux (le carbone-C, l'hydrogène-H, l'oxygène-O et l'azote-N), d'éléments secondaires (le soufre-S, le phosphore-P, le potassium-K, le calcium-Ca et le magnésium-Mg, ainsi que d'oligoéléments).

Elle se répartit en 4 groupes :

• la matière organique vivante, animale, végétale et microbienne, qui englobe la totalité de la biomasse en activité,
• les débris d'origine végétale (résidus végétaux, exsudats), animale (déjections, cadavres) et microbienne (cadavres, exsudats) appelés «matière organique fraîche»,
• des composés organiques intermédiaires, appelés matière organique transitoire (évolution de la matière organique fraîche),
• des composés organiques stabilisés, les matières humiques ou humus, provenant de l'évolution des matières précédentes.

La végétation fournit des débris végétaux qui constituent la litière ou horizon OL. Sa décomposition se fait sous l'action de la microflore et de la faune du sol, et produit l'humus et des composés minéraux. Les deux processus sont d'une part la minéralisation (produisant les composés minéraux tels que le dioxyde de carbone (CO₂), l'ammoniac (NH₃), les nitrates et les carbonates) et l'humification (polymérisation en composés organiques amorphes qui migrent ou se lient aux argiles et aux hydroxydes métalliques). Le processus d'humification aboutit à la formation de l'humus.

• En milieu peu actif, la décomposition des litières est lente, l'horizon organique OH est brun noir, fibreux et acide. On parle de mor ou terre de bruyère.
• En milieu biologiquement plus actif, l'horizon OH est moins épais et constitue un moder.
• En milieu biologiquement très actif, la décomposition est très rapide, l'horizon OH disparaît et apparaît un horizon A grumeleux, composé d'agrégats argilo-humiques à fer et aluminium. On parle de mull.

La texture du sol

Une des caractéristiques des sols est la taille des éléments minéraux qui le composent.

• Les cailloux ou blocs sont les éléments de taille supérieure à 2mm.
• Les éléments de taille inférieure à 2 mm sont définis par classe de texture (sables, limons et argiles).

Ces roches appartiennent au groupe des silicates ou des carbonates.

• Des ions (Ca,Mg,K,NH₄,NO₃...) arrivent dans le sol en solution dans l'eau infiltrée, ou fixés aux particules colloïdales citées ci-dessus.
• D'autres ions, comme les sulfates (SO₄) ou les ions iodures (I) sont apportées par les précipitations atmosphériques.

Les particules colloïdales chargées négativement peuvent se présenter à l'état dispersé ou floculé.

• À l'état dispersé, les particules se repoussent en raison de leur polarité, et occupent tous les interstices du sol. Ce dernier devient asphyxiant, et l'eau ne s'y infiltre plus. Le sol est difficile à travailler.
• À l'état floculé, les particules colloïdales sont neutralisées par les ions chargés positivement, et s'agglutinent avec ceux-ci. Les flocons formés laissent un sol lacunaire, perméable à l'eau et à l'air. C'est un sol avec une bonne structure.

Le profil du sol

Pour décrire un sol, il est nécessaire de l'observer en tranches parallèles à la surface, appelées horizons. Deux types d'horizons se superposent habituellement : une suite d'horizons humifères, au-dessus des horizons minéraux. En résumé, la structure respecte cet agencement (voir Le profil du sol pour plus de précisions).

Les horizons humifères sont les horizons les plus riches en êtres vivants.

• O, comprenant la litière et les matières organiques en cours de transformation

1. OL - litière. La litière comprend l'ensemble des débris bruts (restes de bois, de feuilles et de fleurs fanées).
2. OF - horizon de fragmentation (parfois appelé à tort horizon de fermentation). La température et l'humidité y sont optimales, en raison de l'isolation fournie par la litière.
3. OH - horizon humifié. Cet horizon est composé quasi exclusivement de matière organique morte transformée par les organismes du sol.

• A - horizon mixte. Composé d'éléments minéraux et d'humus. Sa structure dépend de l'incorporation plus ou moins rapide de l'humus.

Les horizons minéraux sont les moins riches en organismes vivants.

• E - horizon lessivé. Il est drainé par l'eau qui s'infiltre, ce qui le rend pauvre en ions, en argiles, en composés humiques et en hydroxydes de fer et d'aluminium.
• B - horizon d'accumulation. Horizon intermédiaire apparaissant dans les sols lessivés. Il est riche en éléments fins ou amorphes (argiles, hydroxydes de fer et d'aluminium, humus), arrêtant leur descente à son niveau lorsqu'ils rencontrent un obstacle mécanique (frein à la diffusion) ou une modification de l'équilibre électrostatique.
• S - horizon d'altération. Il est le siège de processus physico-chimiques et biochimiques aboutissant à la destruction des minéraux du sol (altération minérale)
• C - roche-mère peu altérée.
• R - roche-mère non altérée. Couche géologique dans laquelle se sont formés les sols.

Chaque profil de sol a une histoire, que les pédologues tentent de retracer grâce aux caractéristiques et à l'agencement des différents horizons.

Types de sols

Il existe un grand nombre de types de sols, parmi lesquels les sols bruns, les podzols, les sols hydromorphes (à gley ou pseudo-gley), les sols rouges, les sols isohumiques, les sols ferralitiques, les sols ferrugineux. Voir la liste des sols ou la Classification française des sols pour plus de détails.

Les sols ont plusieurs fonctions. Ainsi, selon les critères du Service d'Information des Sols Africains (ASIS) du Centre International d'Agriculture Tropicale (CIAT), un sol est considéré comme sain lorsque il parvient à la fois à :

• héberger un écosystème,
• produire des récoltes,
• stocker le carbone et l'azote de l'atmosphère,
• retenir les eaux de pluie et de ruissellement.

Le sol a aussi un rôle très important dans la dispersion et la dégradation des polluants.

Sol et cycle de l'eau

Des fonctions nouvelles lui sont reconnues dont un rôle majeur dans le cycle de l'eau, pour la santé publique (cf. sols pollués) et des écosystèmes, ainsi qu'une importance dans les cycles biogéochimiques du carbone, de l'azote, du potassium, du calcium, du phosphore, des métaux. Les sols de qualité limitent les risques d'érosion et de salinisation.

Sols et puits de carbone

Le protocole de Kyoto a mis en avant l'importance du sol comme puits de carbone, surtout en zone tempérée. Les enjeux sont très importants, car le CO₂ émis par les microbes constitue l'essentiel du flux de dioxyde de carbone (CO₂) émis de la surface du sol vers l'atmosphère , et le second plus importante flux de carbone terrestre flux. Les plantes émettent du CO2 la nuit, mais la plupart du temps très largement compensé par la photosynthèse le jour .

• la fonction Puits de carbone est encore mal cernée car elle varie fortement dans l'espace et dans le temps, selon les conditions biogéographiques, agro-pédologique, voire de pollution du sol. La respiration du sol est facile à mesurer localement, mais ses variations locales et saisonnières rendent les bilans globaux difficiles. De plus, aucun instrument de télédétection ne peut aujourd'hui la mesurer à l'échelle de vastes territoires.
• Des modèles doivent donc être construits sur la base d'extrapolations, et calés et vérifiés avec les données du terrain. À ce jour, les modèles, et les études de terrain, laissent penser qu'un réchauffement climatique, même d'un ou deux degrés devrait fortement perturber le cycle du carbone .
• Le bilan respiratoire du sol et son évolution commencent à être mieux approchés. Le bilan correspond à la somme des flux de CO2 et de vapeur d'eau libérés par le métabolisme des microbes, des animaux du sol, des racines des plantes et des champignons du sol. Une méta-analyse (Nature, Mars 2010 ) a porté sur 439 études. Sur la base des 50 années de données d'émissions des sols étudiées sur 1.434 points de données répartis sur toute la planète, les auteur ont conclu que les sols du monde entier ont encore augmenté leurs émissions de CO₂ entre 1989 et 2008, probablement à cause d'une augmentation de l'activité microbienne induite par la température et l'eutrophisation et d'une dégradation des humus. Les changements de comportements du sol sont lents, mais se traduisent par des effets globaux très significatifs ; L'expiration vers l'atmosphère des organismes du sol a augmenté d'environ 0,1 % par an ("0,1 Pg C/an") de 1989 à 2008, pour atteindre en 2008 environ 98 milliards de tonnes de Carbone ("98 ± 12 pg C"), soit 10 fois plus de carbone que les humains injectent dans dans l'atmosphère annuellement selon cette méta-analyse. Le réchauffement est le facteur explicatif qui semble dominant, via l'accroissement des taux et vitesse de décomposition de la matière organique du sol, selon le biogéochimiste Eric Davidson . Les auteurs ont à cette occasion posé les bases d'un observatoire mondial de l'expiration des sols, appuyé sur une base de donnée jumelée à une base de donnée météorologique historique, de haute résolution. Des données déjà disponibles, après prise en compte des moyennes climatiques annuelles, de la surface foliaire, des dépôts d'azote et changements de méthode de mesure du CO₂, se dégage une tendance à l'augmentation, avec des flux de CO₂ effectivement corrélée aux anomalies de température (anomalies par rapport à la moyenne des température de la période 1961-1990) de température de l'air. Il reste à différentier la part du Carbone anthropique issu de l'atmosphère et reperdu, et celle anormalement perdue ou émise par la matière organique du sol suite à une dégradation de processus pédologiques. Ce CO₂ ajoute ses effets à ceux du méthane qui semble également en augmentation à partir des pergélisols. Une très petite part du CO2 exprimé par les sols peut aussi provenir de bactéries méthanotrophes (Ce CO2 la serait en terme de bilan moins "nuisant" pour le climat, puisque le méthane a à court terme un effet bien plus réchauffant. Les auteurs de la méta-analyse concluent des données disponibles qu'elles sont compatibles avec une accélération en cour du cycle du carbone terrestre, en réponse au changement climatique.
• L'importance du sol comme puits de carbone (et pour la biodiversité, notamment pour les sols prairiaux et forestiers ) est mieux reconnue ; Une conférence européenne a rappelé en 2001 l'importance des relations entre puits de carbone et biodiversité.
• Enjeu pour la lutte contre l'effet de serre : selon le groupe de travail du Programme européen sur le changement climatique (PECC) consacré aux puits de carbone liés aux sols agricoles, les sols agricoles de l'UE pésentaient à eux-seuls un potentiel l'équivalent de 1,5 à 1,7 % des émissions de CO₂ de l'Union européenne, potentiel qui devra peut-être être revu à la baisse avec le réchauffement.

Sol vivant, support et milieu de vie

Végétaux, animaux et microorganismes profitent de la désagrégation des roches de la croûte terrestre et y contribuent, co-produisant le sol et y puisant l'eau et les nutriments.

De nombreux organismes trouvent dans le sol un abri, un support ou un milieu indispensable à leur vie. Pour les animaux du sol, on parle de microfaune (< 0,2 mm), mésofaune (de 0,2 à 4 mm) et macrofaune (> 4 mm). A titre d'exemple, rien que pour la microfaune, un seul mètre carré de prairie permanente bretonne abrite dans ses 30 premiers cm jusqu’à 260 millions d'organismes animaux/m² (ind./m²), appartenant à plusieurs milliers d’espèces. Cette biomasse animale correspond au minimum à 1,5 t/ha ou le poids de deux vaches). Le labour de cette prairie et sa mise en culture diminue de -20 à -90 % le nombre de lombriciens en trois ans, surtout avec un travail mécanisé du sol et avec des pesticides.
Le sol était autrefois considéré comme un élément abiotique, résultant de facteurs physico-chimiques tels que la géologie, le climat, la topographie... L'ensemble des éléments abiotiques constituant le sol sont mobilisés par le Vivant, et en particulier par les microorganismes, qui recyclent également la nécromasse (biomasse morte) et les excréments des animaux, constituant ainsi la base trophique des écosystèmes terrestres.

La rhizosphère est l'interface complexe entre les mondes végétal, fongique et minéral, lieu et niche écologique où se nouent des relations étroites entre les processus biotiques et abiotiques qui régissent la formation des sols et la nutrition minérale des végétaux : altération minérale, décompaction, lessivage, formation des complexes argilo-humiques, échanges ioniques, symbioses qui influent les cycles du carbone, de l'azote, du phosphore et impactent les cycbles biogéochimiques...

Connaître et mieux protéger, restaurer et gérer les sols nécessite d'identifier, localiser et cartographier leur biodiversité, les typologies de sols, les sols dégradés, pollués, leur degré de vulnérabilité, leur isolement écologique et degré de résilience face aux usages par l'Homme, ou face au dérèglement climatique. Cela permettra aussi de mieux identifier certains enjeux (production alimentaire, protection de l'eau, puits de carbone, biodiversité...).

Pour mieux comprendre l'écologie des sols, on commence à approcher la diversité biologique des sols ; par la mesure de la diversité des ADN présent, par certains indices tels que l'abondance en micro-organismes ou en lombrics (supposés être de bons bioindicateurs).

Biodiversité intrinsèque du sol : En plus des virus, ce sont jusqu'à 100 millions de micro-organismes qui vivent dans un gramme de sol.
La richesse microbienne globale peut maintenant être évaluée par la biologie moléculaire, via la mesure de la diversité de l'ADN microbien
Par exemple, les sols de Bretagne, en 2006 et 2007, ont été échantillonnés sur environ 27 000 km², avec 2 200 échantillons de sol, par le Programme RMQS6BioDiv , dans le cadre du Programme européen Envasso visant à trouver des bio-indicateurs pertinents pour les sols et à mieux comprendre le déclin de la biodiversité dans les sols . L'approche est globale pour la microflore (fumigation/extraction, quantification de l'ADNa), ou taxonomique (avec identification des espèces ou au moins des genres) pour la faune. Ce RMQS-BioDiv vise à établir un référentiel de la biodiversité des sols en Bretagne, en lien avec les caractéristiques du milieu (pédologie, usages des sols).

La production d'agrocarburants est une nouvelle vocation proposées pour certains sols. L'intérêt et le bilan écologique de ces carburants sont cependant très discutés, en raison du risque de détournement de sols de cultures vivrières vers des productions commerciales dans les pays les plus pauvres, et pour un bilan global neutre, voire négatif en terme de carbone et effet de serre .

La réduction de la biodiversité entrainée par la monoculture des espèces concernées est également un problème important.[1] [2]Les réflexions se portent désormais plus la réutilisation de déchets verts ou de plante dédiée (voir Biocarburant).

Le pédologue peut repérer des sols favorables ou défavorables à certains organismes et produire des cartes de pédopaysages. Le botaniste et le phytosociologue peuvent également, au moyen de plantes bioindicatrices, identifier les caractéristiques de certains sols: par exemple les plantes de milieux calcaires secs, groupe au sein duquel on pourra repérer quelques orchidées emblématiques.

Qualité d'un sol

Elle concerne les aptitudes d'un sol à remplir ses fonctions de production agricole, sylvicole ou écologique et sa résilience. Elle est mesurée par ses composantes biologiques (bioindicateurs, tels que vers de terre), la fertilité, son état sanitaire (au sens large), à comparer avec un stade climacique ou idéal, qui varie selon la zone biogéographique et l'altitude et le contexte considérés. On cherche maintenant à mesurer les risques environnementaux portant sur l'eau et l'air et les risques liés aux inondations/sécheresses, nitrates, pesticides, aérosols, etc. On différencie les impacts de polluants biodégradables (nitrates) de polluants non dégradables (éléments traces métalliques ou ETM), et on s'intéresse à leurs voies de dissémination ou aux synergies qu'ils peuvent développer avec d'autres polluants ou éléments du système sol.

Le sol est une ressource naturelle, peu ou lentement renouvelable, globalement en voie de dégradation (surtout dans les pays pauvres, où celle-ci n'est pas compensée par les hausses de productivité permises par la mécanisation, les engrais et les pesticides). Ce patrimoine est aussi en régression quantitative selon l'ONU (FAO), essentiellement consacrée à l'agriculture, à la sylviculture ou aux écosystèmes, mais aussi et de plus en plus aux « établissements humains » ( villes, habitations, zones d'activité, parkings, etc.).

Menaces autres que les pollutions

Quand les sols ne sont pas simplement « consommés » par la construction (urbanisation, périurbanisation, routes, parkings..), ils sont surtout menacés par certaines pratiques agricoles qui induisent diverses formes de régression et dégradation des sols ;

• une diminution des taux de matière organique (labour, cultures intensives, pesticides) ;
• la compaction et l'asphyxie, l'apparition d'une semelle de labour ;
• l'acidification, la salinisation et éventuellement la désertification ;
• l'érosion (hydrique ou éolienne)…

Dans les basses terres, ils peuvent aussi être menacés de submersion marine (cf. montée des océans), en particulier dans la perspective d'une fonte des glaciers et calottes glaciaires.

Sols pollués

Les retombées atmosphériques, les boues d'épuration, certains engrais (phosphates riches en cadmium en particulier), les pesticides et parfois les eaux d'irrigation apportent dans les sols des quantités significatives de métaux lourds (non dégradables, bioaccumulables) et de divers polluants ou contaminants microbiens, parfois pathogènes.

Les sols agricoles contiennent souvent des micropolluants qui ont pour origine le fonds géochimique, les séquelles de guerre, ou plus souvent les retombées atmosphériques (45 000 t/an de zinc et 85 000 t de plomb/an estimés dans les années 1990 par Juste,1995, pour l'Europe des 12) et parfois les eaux d’irrigation.
En France, l’INRA a étudié sept métaux (Cd, Cr, Co, Cu, Ni, Pb et Zn) dans 460 horizons de sols agricoles, et trouve un taux médian de 0,22 mg/kg, contre 0,10 en sols forestiers équivalents. Dans une région industrielle (Nord de la France), P. Six (1992, 1993) confirme ces résultats avec sur 1000 horizons labourés analysés dans le département du Nord, n’ayant pas subi d’apports de boues, pour lesquels la valeur médiane était de 0,37 mg/kg, 60 % des échantillons se situant entre 0,12 et 0,58 mg/kg. Hormis dans le cas d'espèces métallophytes, l'exportation naturelle par les végétaux est faible (moins de 1% des apports de boues résiduaires dans les récoltes étudiées sur 15 à 10 ans).
Certains sols forestiers, à condition d’avoir été exposés à des retombées de polluants ou s’ils en contiennent naturellement, s’aèrent cependant mieux conserver certains de ces polluants que les sols agricoles (c’est le cas des radionucléides). Les polluants sont plus ou moins biodisponibles selon les sols. Ils le sont généralement plus (jusqu’à 100 fois plus) dans les sols acides.

En France le Grenelle de l'Environnement a proposé en 2007 les concepts de trame verte et de remembrement environnemental qui pourraient tous deux contribuer à restaurer les sols. Un « bail environnemental » avait été créé (décret de mars 2007). Ce bail ne vaut cependant que dans certaines zones géographiques précisées par le décret et pour des bailleurs privés (si leurs parcelles sont situées dans des espaces naturels sensibles et si les clauses conformes au document de gestion officiel sont en vigueur dans ces zones). Ce bail permet d'imposer une liste limitative de pratiques culturales susceptibles de protéger l'environnement. Leur non-respect par le repreneur du bail peut entraîner sa résiliation.