Quelques conséquences locales et régionales des changements d'usages des sols liés aux activités humaines

Thibault Lorin

Agrégé SV-STU, doctorant ENS Lyon

Félix Lallemand

Agrégé SV-STU, Muséum national d'histoire naturelle

Ayman El-Shafey

Agrégé SV-STU, Collège Jean-Baptiste Clément (Colombes)

Frédéric Darboux

Chargé de recherche, Laboratoire Sols et Environnements (INRA, Nancy)

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

11/05/2018

Résumé

Déforestation et pratiques agricoles : conséquences sur l'érosion des sols et les cours d'eau (inondations, pollution).


Labourage et pâturage sont les deux mamelles dont la France est alimentée, et les vraies mines et trésors du Pérou.

Duc de Sully, fin XVIe – début XVIIe

Introduction

Dans les années 1930, une série de tempêtes de poussières frappe les High Plains , la partie Sud des Grandes Plaines américaines. Cette région, baptisée«  Dust Bowl  » (« Bassin de poussière », l'expression est parfois également utilisée pour qualifier cet épisode climatique), connait à l'époque un épisode de sécheresse qui aridifie les sols. La couche de terre arable est massivement emportée par le vent et se retrouve bientôt réduite comme peau de chagrin (figures 1 et 2). Cela condamne à l'exode des millions d'agriculteurs – vers la Californie notamment – et inspire à John Steinbeck le roman Les raisins de la colère (1939).

Ce phénomène est multifactoriel : il implique d'une part une conjonction de paramètres climatiques dommageables (faibles précipitations, fortes températures, régimes de vents violents), mais également des pratiques agricoles inadaptées. Les champs de coton laissés à nu pendant l'hiver et brûlés pour contrôler les mauvaises herbes avant la plantation sont l'une des causes majeures de la provenance de poussière à cette époque, baptisée les «  Dirty Thirties  » (les « Sales années 30 » »). En outre, ce phénomène illustre quelques conséquences d'un changement d'usage des sols, depuis un écosystème de prairie à un écosystème anthropisé à vocation agricole.

Les changements d'usage des sols liés aux activités humaines n'ont fait qu'aller crescendo au cours de l'Holocène, avec une accélération notable au cours des deux derniers siècles. Quels sont les principaux facteurs à l'origine de ces changements et quelles en sont les principales manifestations géologiques ?

Ces questions balaient des thématiques très vastes qui ne pourront évidemment pas être toutes traitées dans le détail dans la suite. Nous soulignerons deux changements d'usage des sols majeurs pouvant avoir des conséquences géologiques : la déforestation et l'utilisation des sols pour l'agriculture. Nous verrons ensuite quelques conséquences (non exhaustives) de celles-ci sur l'érosion et l'hydrographie en nous limitant aux échelles locale et régionale (nous ne détaillerons donc pas les émissions – importantes – de gaz à effet de serre dues aux changements d'usage des sols).

Figure 1. Machines agricoles ensevelies suite à des tempêtes de poussières (Dakota du Sud, 1936)

Le Dakota du Sud n'est pas strictement un des états du Dust Bowl mais a toutefois été lui aussi marqué par des tempêtes de poussières.


Figure 2. États américains du Dust Bowl, sévèrement affectés par des tempêtes de poussières dans les années 1930

Les états les plus sévèrement touchés sont ceux du Sud des Grandes Plaines ( High Plains ) : Colorado, Kansas, Oklahoma, Nouveau-Mexique, Texas. Cet épisode a provoqué une vague de migration massive vers l'Ouest des États-Unis à l'origine de l'ouvrage Les raisins de la colère, de John Steinbeck.


Les changements d'usage des sols provoqués par les activités humaines

Une déforestation massive provoquée en grande partie par l'augmentation de la surface des terres agricoles

La déforestation et la dégradation (voir l'encart) des zones forestières peuvent avoir des causes multiples : surexploitation pour le bois de chauffe, pour la fabrication du charbon de bois nécessaire à la métallurgie avant l'utilisation du “charbon de terre”, ou l'industrie du bois (construction, papier…), nouveaux espaces libérés pour l'agriculture, les infrastructures minières et industrielles, les routes, les lacs de barrages… Bien que des différences existent selon les contextes locaux, l'agriculture est aujourd'hui la première cause de déforestation à l'échelle globale.

Nous étions un milliard d'humains sur Terre autour de 1800, deux milliards dans les années 1920, et nous sommes aujourd'hui autour de 7,5 milliards d'individus. La croissance exponentielle de l'humanité s'accompagne de facto d'une croissance de la demande alimentaire, et la pression exercée sur les terres arables (ou celles pouvant le devenir) augmente d'autant (figure 3). Par ailleurs, la transition alimentaire caractérisée par une part plus importante de produits animaux, qui accompagne le développement économique de nombreux pays, nécessite davantage de terres pour produire la nourriture des animaux d'élevage.

Figure 3. Usage des sols par les terres cultivées (hors terres pâturées) en 1800 (1 milliard d'êtres humains), 1900 (1,6 milliards), 2017 (7,5 milliards)

La surface est découpée en cellules de 50 km de côté. La couleur de la cellule correspond au pourcentage de la cellule affecté aux cultures. On peut voir qu'au XXIème siècle l'agriculture s'intensifie dans les zones “historiques”, et que de nouvelles régions du monde (Sahel, Afrique Centrale, Amérique du Sud, notamment) entrent en jeu dans la production agricole mondiale.

Des vidéos présentant ces résultats sont disponibles sur le site du DKRZ ( Deutches KlimaRecherchenZentrum ).


L'expansion des terres cultivées a lieu (et a eu lieu) aux dépens d'écosystèmes divers (prairie, steppe, forêt tempérée ou forêt équatoriale). Les déserts n'échappent pas à cette tendance, en témoignent les champs d'irrigation en pivot, par exemple en Arabie Saoudite (irrigués par pompage dans les nappes d'eau profonde, sous le désert) (figures 4 à 6).

Figure 4. Animation montrant l'évolution (1987-2012) de l'artificialisation de terres désertiques pour la production agricole par irrigation en pivot en Arabie Saoudite

L'expansion des terres cultivées a même aujourd'hui lieu dans des écosystèmes désertiques. L'échelle est indiquée. Chaque champ mesure environ 800-1000 mètres de diamètre.


Figure 5. Artificialisation de terres désertiques et irrigation en pivot en Arabie Saoudite, échelle de la zone observée

Le champ artificiel concerné (état en 2012) est mis à l'échelle, pour comparaison, avec la région de Lyon.


Figure 6. Localisation de la zone irriguée en pivot observée en Arabie Saoudite

Le champ artificiel concerné est indiqué (épingle rouge) et localisable avec le fichier Arabie-irrigation-en-pivot.kmz.


De nouvelles régions du monde, comme le Sahel ou l'Amérique du Sud, sont aujourd'hui cultivées alors qu'elles ne l'étaient quasiment pas voici deux siècles (voir à ce propos la stupéfiante vidéo disponible sur le site du Deutches KlimaRecherchenZentrum ). Les cultures et les pratiques agricoles y sont diverses, correspondant tantôt à une agriculture vivrière (riz au Sahel), tantôt à une agriculture d'exportation, telle que la culture du soja en Amérique du Sud, source majeure de protéines pour de nombreux élevages asiatiques et européens (figure 7) [3, 4]. L'expansion des terres agricoles est telle qu'aujourd'hui on estime qu'environ 25 % de la productivité primaire potentielle la planète est soit accaparée par l'espèce humaine, soit non réalisée à cause des changements d'usages des sols liés à ses activités. C'est ce concept qui est appelé « appropriation humaine de la productivité primaire nette »  [5]. Ainsi, par les changements dont elle est à l'origine à l'échelle mondiale, une seule espèce, la nôtre, s'approprie ou empêche 25 % de l'ensemble de ce que la biosphère continentale pourrait potentiellement produire.

Figure 7. Usage des sols en fonction du type de culture, pour 4 cultures principales : blé, maïs, riz et soja

L'expansion agricole observée en Amérique du Sud est en grande partie liée à l'expansion de la culture du soja et du pâturage extensif.

Données en pourcentage des terres cultivées.


L'augmentation de la surface des terres agricoles (cultures et pâtures confondues) au cours du siècle dernier a été l'un des principaux moteurs de déforestation dans les zones intertropicales. Ainsi, dans les années 1980 et 1990, 55 % de l'expansion des terres agricoles en région tropicale (Brésil, Indonésie, Malaisie, Afrique de l'Ouest et Centrale notamment) a eu lieu au détriment de zones de forêt primaire, et 28 % a eu lieu au détriment de forêts déjà partiellement dégradées [7]. Au total, 85 % de la déforestation dans le monde aujourd'hui a lieu en zone intertropicale [8]. L'agriculture apparait donc comme un facteur majeur de la déforestation actuelle dans le monde, et plus encore en région intertropicale.

Il convient de nuancer les propos menés sur la déforestation à l'échelle mondiale, qui cachent des réalités variées. La déforestation a aujourd'hui essentiellement lieu en région intertropicale, et a moins lieu dans l'hémisphère Nord (après pourtant plusieurs siècles de constant déclin des surface forestières). Un rapport de 2010 des Nations Unies estime que les forêts tempérées et boréales (Europe, Amérique du Nord, Caucase et Asie Centrale) ont vu leur surface s'accroitre sur la période 1990-2010 de plus de 25 millions d'hectares, soit environ la surface du Royaume-Uni. Cependant cette comptabilité en superficie seule masque elle aussi une partie du problème car si la forêt gagne en effet du terrain dans des zones en déprise agricole (France) ou grâce à des campagnes de reforestation dynamiques (Chine), ce sont ailleurs des forêts primaires qui sont abattues (Canada, Pologne…) avec des pertes en biodiversité et en stock de carbone bien plus importantes.

En France, en 150 ans seulement, la forêt a gagné 80 000 km2 , soit l'équivalent de la région Nouvelle-Aquitaine (tout de même 14,5 % de la superficie de la France métropolitaine). Cette croissance est à la fois artificielle (plantations de pins maritimes des Landes, ou de pins noirs et d'épicéas en montagne) et naturelle (reboisements spontanés dus à la déprise agricole). Cette dernière est d'ailleurs le facteur principal d'augmentation de la surface forestière (cf. La France : des territoires en mutation - Les nouvelles forêts françaises. L'exemple ardéchois sur Géoconfluences).

Des pratiques agricoles pouvant aggraver la situation

Si la déforestation est un facteur certain d'érosion des sols, les pratiques agricoles qui y succèdent peuvent fortement aggraver le phénomène. En effet, une forêt brûlée ou détruite correspond à un “pic” d'érosion de quelques mois à quelques années, cette érosion étant atténuée à mesure que la succession écologique naturelle (pelouse, prairie, lande) restabilise le substrat. Le maintien de l'érosion à des niveaux élevés est lié aux pratiques qui laissent les sols à nu pendant une partie de l'année, provoquant ainsi érosion éolienne ou hydrique. L'intensité du labour, le moment où il a lieu par rapport aux régimes météorologiques, le nombre de passages des engins agricoles et leur sens par rapport à la pente sont autant de facteurs ayant une influence sur le degré d'érosion. Le maintien d'un couvert végétal permanent fait partie des solutions utilisées par certains agriculteurs pour limiter l'érosion. Il nécessite cependant un savoir-faire et un outillage adaptés.

Les conséquences des changements d'usage des sols sur l'érosion en domaine continental

Un sol à nu est plus mobile

Le lien entre déforestation et érosion peut paraitre intuitif : en enlevant le couvert forestier, le sol se retrouve à nu une partie de l'année pendant laquelle il n'est plus protégé des eaux météoriques ainsi que des vents. En particulier, les horizons supérieurs, qui correspondent aux horizons les plus fertiles (notamment par leur richesse en humus) et les plus meubles peuvent alors être lessivés par les pluies et emportés par les vents. Les particules mobilisées suite à la déforestation (sables, silts, argiles) peuvent donc (1) se retrouver dans les fleuves par ruissellement ou (2) être emportées par le vent et être alors directement transportées dans diverses régions du globe.

Toutefois, tester cette hypothèse expérimentalement requiert de comparer des parcelles “non déforestées” et des parcelles “déforestées” assez grandes, et de quantifier précisément l'érosion associée à chaque condition. Ce n'est pas une mince affaire à grande échelle !

À échelle plus modeste, une étude brésilienne de 2015 a comparé les taux d'érosion de parcelles expérimentales de 100 m2 entre un sol de savane arborée (cerrado) et un sol maintenu nu par du labour et l'épandage d'un herbicide (glyphosate) [11]. Le taux d'érosion pouvait varier de 0,1 tonnes de particules par hectare et par an, soit 0,01 mm de sol par an (sol de savane), à 12 t/ha/an, soit 1,2 mm/an (sol nu) (figure 8).

Ces chiffres sont à comparer à la vitesse de production d'un sol, qui est, en ordre de grandeur, de 0,1 mm/an [12]. La quantité de matière perdue pendant une année sur sol nu mettra 12 ans à se reconstituer (à condition que l'on arrête complètement l'érosion). Si le sol est une ressource renouvelable sur des temps longs, il ne l'est pas à l'échelle d'une génération humaine.

Figure 8. Dispositif expérimental permettant de comparer les taux d'érosion entre un sol de savane (cerrado brésilien) et un sol nu

L'étude a été conduite entre 2012 et 2014. La quantité de sédiment récoltée dans les cuves de drainage (bleues) après chaque épisode de précipitation permet de comparer les taux d'érosion (hors effet du vent) entre les deux types de sols. Le taux d'érosion varie de 0,01 mm/an (sol de savane, en haut) à 1,2 mm/an (sol nu, en bas).


Indices morphologiques et mécanismes de l'érosion des sols

Quelques manifestations morphologiques de l'érosion des terres agricoles ont été décrites par Steinbeck lui-même à propos de ce qu'il s'est passé dans les années 1930 dans le Dust Bowl . Sans utiliser les termes consacrés, sa description des phénomènes est remarquable.

 

Steinbeck, sédimentologue à ses heures

« Dans les ornières creusées par l'eau, la terre s'éboulait en poussière et coulait en petits ruisseaux secs (...). C'est alors que le vent se fit dur et violent et qu'il attaqua la croûte formée par la pluie dans les champs de maïs. (...) La croûte se brisa et la poussière monta au-dessus des champs (...) maintenant la poussière la plus fine ne se déposait plus sur la terre, mais disparaissait dans le ciel assombri. (...) Une nuit, le vent accéléra sa course à travers la campagne, creusa sournoisement autour des petites racines de maïs et le maïs résista au vent avec ses feuilles affaiblies jusqu'au moment où, libérées par le vent coulis, les racines lâchèrent prise. »

 
  -- Les Raisins de la colère, J. Steinbeck (1939)

Un sol correspond à un ensemble de particules de granulométrie variable, qui constituent « l'unité élémentaire » du sol. Celles-ci sont parfois rassemblées en agrégats, ou complexes, espacés par des pores.

L'un des premiers facteurs susceptibles de modifier cette structure est « l'effet splash », qui correspond à la projection des particules suite à l'impact des gouttes d'eau de pluie. Cet effet dépend de deux paramètres : (1) la force de liaison entre les particules, et (2) la taille des particules.

Un sol argileux est constitué de particules petites (< 2 µm) mais fortement liées entre elles. L'impact des gouttes de pluie désolidarise peu les agrégats. Un sol sableux, à l'inverse, est constitué de particules faiblement liées entre elles mais plus grosses (entre 50 µm et 2 mm) : le splash a donc du mal à les déplacer.

Les sols les plus sensibles au splash sont les sols limoneux, dont les particules sont de taille intermédiaire entre les argiles et les sables. Les complexes peuvent donc être désolidarisés et les particules mobilisées suite à l'impact des gouttes de pluie.

  1. Lorsque les particules ne sont pas (ou peu) transportées, elles remplissent les porosités initiales du sol : une croute imperméable se forme, appelée croute de battance . Les sols limoneux sont les plus favorables à la formation d'une telle croute.
  2. Lors d'une pluie intense, toute l'eau ne s'infiltre pas dans le sol immédiatement (à plus forte raison lorsqu'une croute s'y est formée) : une fine lame d'eau de quelques millimètres d'épaisseur se forme en surface du sol, avec parfois une grande extension latérale (par exemple, tout un champ). Les particules mobilisées par l'effet splash retombent alors dans l'écoulement et, si elles ne sédimentent pas aussitôt, sont transportées vers l'aval (figures 9 à 11). On parle de ruissellement en nappe . La déclivité augmentant la vitesse du courant, cet effet est d'autant plus marqué pour des sols en pente et vient s'ajouter aux simples effets de la gravité par temps sec. Ceux-ci sont donc particulièrement sensibles à l'érosion et différents aménagements peuvent permettre de la limiter : terrasses, plantations d'arbres suivant les lignes de niveau…

À l'inverse, un sol sous un couvert végétal est moins soumis à l'impact direct des gouttes. Les particules sont moins dissociées du sol, ce qui diminue la probabilité de formation d'une croute et la mobilisation de particules dans la lame d'eau d'écoulement.

Figure 9. Effet splash

L'impact d'une goutte sur un sol déjà recouvert d'un film d'eau peut projeter de nombreuses particules aux alentours. Les particules limoneuses (entre 2 et 50 µm) sont les plus sensibles à l'effet splash. Contrairement aux idées reçues, une goutte d'eau est en première approximation sphérique, et n'est donc pas “fuselée” selon le sens de son mouvement. Cela est dû à sa petite taille : la gravité et les frottements de l'air sont négligeables devant les forces de tension superficielles.


Figure 10. Effet splash et ruissellement en nappe

La pluie provoque la formation d'une mince couche d'eau en surface du sol. Localement, l'impact des gouttes d'eau (effet splash) désolidarise les particules du sol et les met en suspension dans la lame d'eau qui ruisselle en surface.


Figure 11. Érosion en ravine et en nappe

Le ruissellement en nappe a provoqué la formation d'une zone de dépôt de sol en aval, due au transport par la couche d'eau. Lors de son transport, l'eau a emprunté un sillon initial (zone de faiblesse) et a surcreusé le sol, provoquant la formation d'une ravine dans le champ, dans le sens de la pente.


Le ruissellement en nappe est le moteur principal d'une forme d'érosion particulière, dite « en rigoles et ravines ». Dans cette forme d'érosion, le film d'eau est concentré à certains endroits, selon des sillons initiaux. Cela y provoque un débit plus important, permettant à l'écoulement d'éroder directement les particules, ce qui accélère l'érosion. Si les sillons ainsi formés ne dépassent pas 30 cm de large environ, on parle d'érosion « en rigoles », au-delà, lorsque l'érosion est plus intense, on parle d'érosion « en ravines ».

Manifestations à plus grande échelle de l'érosion des sols

Il est parfois possible d'observer, depuis un satellite, les manifestations à plus grande échelle des mécanismes évoqués plus haut. Une telle illustration, hautement symbolique, a été fournie par les spationautes de la Station Spatiale Internationale en 2003 et 2004 : l'estuaire du Betsiboka, à Madagascar, semble littéralement « saigner » après un fort épisode pluvieux (figures 12 et 13).

L'image de 2003 montre le Betsiboka à son niveau moyen (figure 12) ; on peut constater que les eaux de ce fleuve sont déjà bien rouges. La couleur rouge est due à des argiles riches en fer et à des oxydes de fer issus de l'érosion par l'eau (érosion hydrique) des cuirasses latéritiques du bassin versant et mises à nu par la déforestation massive qui a lieu depuis le siècle dernier à Madagascar (revoir, à propos des cuirasses latéritiques, Mini-cheminées de fée dans une latérite en cours d'érosion près de Kourou (Guyane) et Un cœur de fer ).

En 2004, suite aux fortes précipitations dues au passage du cyclone Gafilo, les spationautes ont pu de nouveau photographier l'estuaire (figure 13) : celui-ci, en crue, est alors incroyablement rouge. Ce genre de cliché a fait dire que Madagascar « saignait » dans l'océan ; il témoigne “seulement” de la gravité de l'érosion constatée dans ce pays et principalement liée à la déforestation. Entre 1953 et 2014, 44 % de la superficie de forêt dans ce pays a été perdue (37 % sur la seule période 1973-2014). Le taux annuel moyen de déforestation correspondait à 99 000 hectares par an sur la période 2010-2014, soit l'équivalent de plus de 300 terrains de football par jour. Quasiment la moitié de la surface de forêt (46 %) est maintenant située à moins de 100 mètres d'une lisière, ce qui indique, outre la réduction de la surface, une forte fragmentation du couvert forestier [13].

Figure 12. Estuaire du Betsiboka (Madagascar), 4 septembre 2003

L'image du 4 septembre 2003 montre le Betsiboka à son niveau moyen ; on peut constater que les eaux de ce fleuve sont déjà bien rouges. La couleur rouge est due à des oxydes de fer issus du ruissellement des cuirasses latéritiques du bassin versant (et mises à nu par la déforestation massive qui a lieu depuis le siècle dernier à Madagascar).

Pour se rendre compte de l'échelle : l'estuaire mesure 18 km dans sa plus grande largeur, et l'eau coule du Sud-Est (en bas à droite) vers le Nord-Ouest (en haut à gauche).

En mars 2004 (figure suivante), suite aux fortes précipitations dues au passage du cyclone Gafilo, les spationautes ont pu de nouveau photographier l'estuaire : celui-ci, en crue, est alors incroyablement rouge. Ce genre de cliché a fait dire que Madagascar « saignait » dans l'océan : il témoigne “seulement” de la gravité de l'érosion constatée dans ce pays.


Figure 13. Estuaire du Betsiboka (Madagascar), 25 mars 2004

L'image précédente de septembre 2003 montre le Betsiboka à son niveau moyen ; on peut constater que les eaux de ce fleuve sont déjà bien rouges. La couleur rouge est due à des oxydes de fer issus du ruissellement des cuirasses latéritiques du bassin versant (et mises à nu par la déforestation massive qui a lieu depuis le siècle dernier à Madagascar).

Pour se rendre compte de l'échelle : l'estuaire mesure 18 km dans sa plus grande largeur, et l'eau coule du Sud-Est (en bas à droite) vers le Nord-Ouest (en haut à gauche).

Le 25 mars 2004, suite aux fortes précipitations dues au passage du cyclone Gafilo, les spationautes ont pu de nouveau photographier l'estuaire : celui-ci, en crue, est alors incroyablement rouge. Ce genre de cliché a fait dire que Madagascar « saignait » dans l'océan : il témoigne “seulement” de la gravité de l'érosion constatée dans ce pays.

L'image de 2004 correspond environ aux deux tiers “en bas à droite” de l'image de 2003.


Figure 14. La culture sur brûlis, très pratiquée à Madagascar, explique en partie la déforestation dans le pays

Parcelle en feu au niveau de la bordure Est du Parc National d'Isalo, dans le Sud-Ouest du pays.


Figure 15. La culture sur brûlis, très pratiquée à Madagascar, explique en partie la déforestation dans le pays

Zone brûlée dans la réserve de Vohimana, à l'Est d'Antananarivo, la capitale.



Un exemple de pratique envisagée pour limiter l'érosion des sols

Une conséquence directe de l'érosion induite par les pratiques agricoles est l'ablation des couches de surface les plus fertiles et donc une baisse des rendements. Dans les années 1950 et 1960, Nikita Khrouchtchev (premier secrétaire du Parti Communiste – 1953-1964 – et président du conseil des ministres de l’URSS – 1958-1964) lance la « Campagne des terres vierges », un vaste programme de sécurité alimentaire visant à cultiver les grandes steppes du Kazakhstan et de Sibérie occidentale (mais aussi de l'Ouzbékistan et du Turkménistan). Les vents violents de cette région, combinés à la dégradation massive des couches de surface des sols, érodèrent la couche d'humus (un peu de la même manière que pendant le Dust Bowl américain des années 1930) et appauvrirent le sol à long terme. Il a été estimé que pour chaque tonne de blé kazakh produite pendant les années 1960, jusqu'à 1,5 t de sol était érodée [14].

Le problème de l'érosion dans les grandes steppes d'Asie centrale n'était pourtant pas inconnu à cette époque puisque, dès 1948, Staline propose un « Plan pour la Transformation de la Nature ». Celui-ci incluait, entre autres, la construction de haies « brise-vent » à très grande échelle (figure 17).

Figure 17. Modifications prévues des steppes agricoles de Russie (ex-URSS) en 1948, dans le cadre du « Plan pour la Transformation de la Nature »

On observe, sur ce poster, la part belle laissée aux haies brise-vent et aux cours d'eau et réservoirs, preuve que le problème de l'érosion dans ces steppes arides était déjà anticipé par l'administration soviétique


Malgré cet ambitieux plan d'aménagement, l'ex-territoire soviétique n'a toutefois pas été transformé selon les plans initiaux, et les barrières brise-vent sont aujourd'hui cantonnées à des cordons linéaires formant “seulement” quelques centaines de kilomètres. Plantées dans les années 1960, il est possible d'en observer par satellite sur plus de 200 kilomètres de longueur pour environ 800 mètres de large au niveau de Volgograd (ex-Stalingrad), le long de la Volga (figures 18 à 21). Ces haies brise-vent ont permis l'augmentation des rendements et une diminution de l'érosion des régions alentour [15].

Figure 18. Des barrières brise-vent le long de la Volga, au niveau de Volgograd (Russie)

Plantées dans les années 1960, ces barrières consistent en trois rangées arborées de chacune 50 à 60҈m de large pour un total d'environ 800 m de largeur. Cette haie démesurée s'étend sur plus de 200 km de longueur le long de la Volga.

L'échelle est indiquée en bas à gauche. Pour une vue hivernale, cliquez ici : barrières brise-vent le long de la Volga vues de l'ISS en hiver.

Localisation avec le fichier Russie-Volga-brise-vent.kmz.


Figure 19. Des barrières brise-vent le long de la Volga, au niveau de Volgograd (Russie)

Plantées dans les années 1960, ces barrières consistent en trois rangées arborées de chacune 50 à 60҈m de large pour un total d'environ 800 m de largeur. Cette haie démesurée s'étend sur plus de 200 km de longueur le long de la Volga et est indiquée par le cordon orange.

L'échelle est indiquée en bas à gauche.

Localisation avec le fichier Russie-Volga-brise-vent.kmz.


Figure 20. Des barrières brise-vent le long de la Volga, au niveau de Volgograd (Russie)

Plantées dans les années 1960, ces barrières consistent en trois rangées arborées de chacune 50 à 60҈m de large pour un total d'environ 800 m de largeur. Cette haie démesurée s'étend sur plus de 200 km de longueur le long de la Volga et est indiquée par le cordon orange.

Pour comparaison, la région Sud-Est de la France est mise à l'échelle.


Figure 21. Des barrières brise-vent le long de la Volga, au niveau de Volgograd (Russie)

Plantées dans les années 1960, ces barrières consistent en trois rangées arborées de chacune 50 à 60҈m de large pour un total d'environ 800 m de largeur. Cette haie démesurée s'étend sur plus de 200 km de longueur le long de la Volga et est indiquée par le cordon orange.

L'échelle est indiquée en bas à gauche.

Localisation avec le fichier Russie-Volga-brise-vent.kmz.


Aujourd'hui, on estime qu'en moyenne un kilogramme de sol est perdu par kilogramme de récolte. Cette moyenne est hautement variable selon les pratiques, la nature et la localisation des cultures, mais c'est une moyenne. Ceci a conduit certains auteurs à qualifier le sol de « produit minier », que l'humanité extrait littéralement pour produire sa nourriture, le perdant ainsi à long terme [14].

Aux États-Unis, des politiques de protection des sols telles que la diminution du labour et l'incitation du labour à une autre période que juste avant les fortes pluies estivales ont permis de diminuer entre 1982 et 2002 (en seulement 20 ans) le taux d'érosion de 9 t/ha/an à 6-7 t/ha/an à l'échelle du pays [14], preuve que des pratiques adaptées peuvent modifier rapidement et à grande échelle les impacts de cette activité.

En Europe, il n'existe actuellement pas de directive pour la protection des sols. Après une tentative (avortée) de proposition en 2007, rien n'a concrètement changé. Il y a eu, en 2017, une initiative citoyenne européenne (ICE People4Soil), qui n'a recueilli que 212 000 voix sur le million nécessaire pour que l'initiative soit amenée sur les bancs de la Commission européenne. Cela constitue toutefois une avancée : la Commission européenne ayant validée le lancement de cette ICE, cela signifie qu'elle estime la protection des sols dans son champ de compétences. Cela n'était pas évident, certaines organisations ou États avançant le principe de subsidiarité selon lequel la protection des sols devrait être du ressort des politiques nationales.

Les conséquences des changements d'usage des sols sur les inondations et la pollution des cours d'eau

Les inondations sont pour partie liées aux changements d'usages des sols

Entre les années 1990 et 2000, les inondations ont provoqué la mort de 100 000 personnes et le déplacement de 320 millions d'autres dans le monde ; à l'échelle mondiale, le coût engendré par ces événements extrêmes a été de 1151 milliards de dollars [16]. Il est prévu que le changement climatique en cours amplifie les contrastes entre les régimes de précipitations et conduise à des événements de précipitations extrêmes plus nombreux et plus intenses [17]. Nous l'avons vu, la reforestation d'une région peut contribuer à limiter les dégâts des inondations, soulignant ainsi l'importance de plans de mesures adaptés.

Une inondation peut être définie comme un recouvrement temporaire de terrains habituellement affleurants suite à la montée soudaine du niveau des eaux de surface [16]. L'inondation est à distinguer de la crue, qui est “seulement” une augmentation brusque du débit d'un cours d'eau – sans nécessairement que celui-ci sorte de son lit. Les changements d'usage des sols agissent essentiellement à deux niveaux sur les inondations.

Les changements d'usage des sols limitent leur capacité de rétention d'eau

La diminution du couvert végétal a un effet sur le débit des cours d'eau et la fréquence des inondations. Le sol d'une forêt naturelle a une capacité de stockage de l'eau plus élevée. Les mécanismes en jeu sont les suivants :

  • en premier lieu, en temps normal, une partie de l'eau météorique est interceptée par la végétation, et est à terme évaporée sans atteindre le sol, limitant ainsi l'eau entrant dans le bassin versant ;
  • de plus, un sol végétalisé contient des racines qui participent à l'absorption de l'eau du sol, la restituant ainsi à la végétation puis, par évapotranspiration foliaire, à l'atmosphère (l'arbre agissant alors un peu comme une “fontaine” ou une “pompe”) ;
  • enfin, un sol riche en matière organique (tel un sol forestier) est plus poreux et a une capacité de rétention plus élevée.

Ainsi, la dégradation du couvert végétal diminue la rétention d'eau dans le sol. Le sol est plus vite saturé (l'“éponge” se remplit plus vite) et l'eau s'écoule alors de manière plus importante en surface, en particulier en saison humide ou en cas d'épisode orageux intense.

Outre l'effet de la saturation du sol, qui suppose que l'eau s'y soit infiltrée, les crues peuvent également être provoquées par l'absence d'infiltration de l'eau dans les sols. Un cas extrême est illustré par les zones urbaines, pour l'essentiel imperméables : l'eau ne pénètre même pas dans le sol et ruisselle, provoquant une augmentation drastique du débit des cours d'eau. Les zones déforestées sont également plus à même de provoquer des inondations puisque sur sol nu se développe souvent une « croûte de battance », imperméable, sur laquelle l'eau ruisselle (voir ci-dessus). Par exemple, en Malaisie, la conversion de forêts tropicales en palmeraies (palmiers à huile) ou en plantations d'hévéa (dont on extrait le latex pour produire le caoutchouc) augmente le nombre d'événements d'inondation pendant la saison humide (figures 22 et 23) [18].

Figure 22. Monoculture de palmiers à huile, palmeraie à Bornéo (Indonésie)

Au premier plan, le piton karstique de Kongbeng. À perte de vue, des champs de palmiers à huile.


Figure 23. Conséquences de la déforestation et du maintien d'un sol nu sur la dynamique sédimentaire ainsi que sur les régimes d'inondations en aval

À gauche, avant déforestation. En premier lieu, en temps “normal” (avec un couvert végétal abondant), une partie de l'eau météorique est interceptée par la végétation, et est à terme évaporée sans atteindre le sol, limitant ainsi l'eau entrant dans le bassin versant. De plus, un sol végétalisé contient des racines qui participent à l'absorption de l'eau du sol, la restituant ainsi à la végétation (effet parfois nommé « arbre fontaine »). Enfin, le sol d'une forêt naturelle est plus riche en matière organique qui favorise le stockage de l'eau. Par ailleurs, les végétaux protègent les particules en surface, celles-ci sont peu érodées et ne contribuent pas à l'envasement des cours d'eau en aval.

À droite, après déforestation. Un couvert végétal réduit ne favorise qu'une faible rétention d'eau dans le sol. En saison humide ou en cas d'épisode orageux intense, le sol est plus vite saturé (l'“éponge” se remplit plus vite) et l'eau s'écoule alors de manière plus importante en surface. Les particules de granulométrie variée sont transportées en aval et contribuent à l'envasement des cours d'eau, ce qui augmente la probabilité d'inondations.


En Chine, des chercheurs ont étudié les effets de la déforestation et de la reforestation sur les régimes hydriques. Une partie du bassin versant de la rivière Gan, en Chine (un affluent du fleuve Yangtze), fut déforestée dans les années 1960-1970 pour des raisons agricoles. L'érosion importante et les conséquences sur l'économie locale furent telles que des programmes de reforestation ont été mis en place et la surface de forêt sur le bassin versant est passée de 33 % en 1980 à 71 % en 2006 [19]. Les chercheurs ont “profité” de cette expérience à grande échelle pour évaluer (1) les effets de la déforestation sur la fréquence et la vitesse des crues, et (2) les conséquences de la reforestation. L'étude montre notamment (1) que le débit lors des crues augmente lors de la période de déforestation et diminue lors de la reforestation, et (2) que le débit augmente plus soudainement quand il y a moins de forêt.

Figure 24. Débit moyen des crues bidécennales à décennales dans le bassin versant de la rivière Gan (affluent du Yangtze, en Chine)

Une partie du bassin versant de la rivière Gan fut déforestée dans les années 1960-1970 pour des raisons agricoles. L'érosion importante et les conséquences sur l'économie locale furent telles que des programmes de reforestation ont été mis en place et la surface de forêt sur le bassin versant est passée de 33 % en 1980 à 71 % en 2006 [19]. Les chercheurs ont “profité” de cette expérience à grande échelle pour évaluer (1) les effets de la déforestation sur la fréquence et la vitesse des crues, et (2) les conséquences de la reforestation. L'étude montre notamment (1) que le débit lors des crues augmente lors de la période de déforestation et diminue lors de la reforestation, et (2) que le débit augmente plus soudainement quand il y a moins de forêt.


Figure 25. Localisation de la rivière Gan, en Chine


Les changements d'usage des sols limitent les capacités de stockage des réservoirs

Par ailleurs, comme nous l'avons évoqué plus haut, le ruissellement provoque la mobilisation accrue des particules et augmente la charge des cours d'eau. Les particules s'accumulent dans le lit des cours d'eau et dans les lacs (effet appelé « envasement »). Le volume disponible de ces réservoirs diminue donc “par le bas”, favorisant les inondations lors de fortes pluies. Ce problème est déjà majeur pour certains bassins hydrographiques dans le monde, dont celui du fleuve Yangtze en Chine, et a notamment largement contribué au désastreux bilan humain et matériel des inondations survenues dans le pays en 1998 [20].

La pollution des cours d'eau et des embouchures

L'érosion accentuée des sols (par lessivage et par le vent) suite à la déforestation et aux changements de pratique agricole s'accompagne, on l'a vu, d'une augmentation de la quantité de particules dans les eaux de ruissellement et dans l'atmosphère. Les particules de sédiment en suspension dans l'eau sont des polluants à double titre : physique et chimique.

En premier lieu, les particules rendent les cours d'eau plus turbides, ce qui limite la pénétration de la lumière dans l'eau et peut affecter certaines espèces. En particulier, au niveau des embouchures des fleuves en région tropicale, la turbidité de l'eau perturbe le développement des récifs coralliens car la photosynthèse des zooxanthelles – algues symbiotiques des coraux – est affectée par la diminution de l'intensité lumineuse. En utilisant une modélisation de l'usage des sols (permettant d'approximer les taux d'érosion) avant l'arrivée des Européens en Australie, et en la comparant à des données actuelles, une étude australienne a pu montrer qu'entre le XVIème-XVIIème siècle et aujourd'hui la quantité de particules en suspension atteignant la Grande Barrière de Corail a augmenté d'un facteur 5,5 [21]. Plus près de chez nous, l'envasement des cours d'eau a contribué à la réduction des effectifs de saumons en Europe [22].

Toutefois, une deuxième pollution, la pollution chimique, se superpose à la pollution physique et participe aux dégâts causés par l'érosion d'origine anthropique. Les particules de sédiment (argiles, limons, matière organique particulaire – ou MOP) fonctionnent en effet bien souvent comme « transporteurs » d'un cocktail de molécules [24]. La surface importante que représente une multitude de particules en suspension, souvent chargées, leur permet d'adsorber des composés multiples. Par exemple, on estime que 50 à 90 % du phosphore total des cours d'eau est associé aux particules de taille inférieures à 63 µm (une minorité est donc transportée à l'état dissout) [24]. Par ailleurs, les sédiments en suspension véhiculent d'autres molécules, notamment des pesticides organiques (insecticides, herbicides, fongicides et autres “-cides”) ou encore des polluants tels que l'arsenic ou le plomb. Ces éléments sont présents dans les sols qui ont été traités avec des insecticides à base d'arséniates de plomb (utilisés en France jusqu'en 1971 pour traiter les pommes de terre contre les doryphores). L'arsenic comme le plomb sont peu solubles dans l'eau en conditions oxydantes et légèrement acides, et sont retenus par les particules du sol ; ainsi, même des décennies plus tard, l'essentiel du plomb est toujours présent dans les 30 premiers centimètres du sol.

Au cours de fortes pluies, qui mobilisent mécaniquement les particules, ces polluants adsorbés en surface des sols sont donc massivement transportés vers les cours d'eau et redistribués en aval [25]. Ainsi, ces pesticides peuvent se retrouver plus en aval et s'accumuler dans les chaines alimentaires, loin de leur site d'utilisation.

Conclusion

Il est impossible de savoir si Steinbeck, lors de la rédaction de son roman, pensait que le Dust Bowl ferait figure d'exception séculaire ou si, au contraire, il serait l'un des premiers signes des changements de l'usage des sols, à grande échelle, par les activités humaines. Le tournant pris cours du XXème siècle semble donner raison à la deuxième version.

Motivée en grande partie par l'extension des terres agricoles, la déforestation est aujourd'hui le changement d'usage majeur des sols de la planète. Il en résulte une érosion à large échelle supérieure aux capacités de reconstitution des sols et une imperméabilisation de ces derniers. Ce sont donc davantage d'eau et de sédiments qui rejoignent le réseau hydrographique à chaque pluie, favorisant les inondations et perturbant les écosystèmes. À l'échelle de la parcelle, de nombreux facteurs influencent le niveau d'érosion (abondance de la végétation, régime des pluies, perturbations mécaniques, topographie…) et des aménagements peuvent être mis en place pour le limiter.

Cela peut prendre jusqu'à 1000 ans pour produire 1 seul centimètre de sol, et seulement quelques jours pour l'éroder [26]. La Journée Mondiale des Sols, permet de rappeler chaque année, le 5 décembre, combien cette fine enveloppe qu'est la pédosphère est un support fragile qui nous est pourtant indispensable.

En lien avec les programmes 2016 du collège

Dans le thème La planète Terre, l'environnement et l'action humaine du programme du collège (Cycle 4 - 5ème/4ème/3ème, cf. éducscol/SVT et Planet-Terre) figure un sous-thème intitulé Risques naturels. Il est précisé dans des documents d'accompagnement que « l'érosion résultant de l'activité externe de la Terre pourra être abordée en tenant compte de l'effet éventuel de l'action humaine ».

Le but du présent article est de rappeler quelques facteurs anthropiques influençant l'érosion en domaine continental à l'échelle mondiale, et de montrer le cadre plus large dans lequel l'érosion « anthropique » s'inscrit : les changements d'usages des sols. Nous nous sommes appuyés sur quelques exemples dans le monde pour illustrer des données récentes de la littérature scientifique.

Une étude de cas française dans un contexte d'érosion littorale est documenté dans un article récent sur Planet-Terre : Impact des activités humaines sur l'érosion littorale .

Des ressources sur l'érosion (et d'autres thématiques) peuvent être trouvées sur le site éduscol/SVT et dans les pages programmes de Planet-Terre.

Bibliographie

A. Baccini, W. Walker, L. Carvalho, M. Farina, D. Sulla-Menashe, R.A. Houghton, 2017. Tropical forests are a net carbon source based on aboveground measurements of gain and loss , Science, 358,6360, 230–234 - doi:10.1126/science.aam5962

J. Pongratz, C. Reick, T. Raddatz, M. Claussen, 2008. A reconstruction of global agricultural areas and land cover for the last millennium , Global Biogeochem. Cycles, 22, 3, GB3018 - doi:10.1029/2007GB003153 (accès libre)

N. Hosonuma, M. Herold, V. De Sy, R.S. De Fries, M. Brockhaus, L. Verchot, A. Angelsenq E. Romijnet, 2012. An assessment of deforestation and forest degradation drivers in developing countries , Environ. Res. Lett., 7, 4, 4009 - doi:10.1088/1748-9326/7/4/044009 (accès libre)

L. Lassaletta, G. Billen, B. Grizzetti, J. Garnier, A.M. Leach, J.N. Galloway, 2014. Food and feed trade as a driver in the global nitrogen cycle: 50-year trends , Biogeochemistry, 118, 1-3, 225–41 - doi:10.1007/s10533-013-9923-4

F. Krausmann, K.-H. Erb, S. Gingrich, H. Haberl, A. Bondeau, V. Gaube, C. Lauk, C. Plutzar, T.D. Searchinger, 2013. Global human appropriation of net primary production doubled in the 20th century , Proc. Natl. Acad. Sci., 110, 25, 10324–10329 - doi:10.1073/pnas.1211349110

C. Monfreda,N. Ramankutty, J.A. Foley, 2008. Farming the planet: 2. Geographic distribution of crop areas, yields, physiological types, and net primary production in the year 2000 , Global Biogeochem. Cycles, 22, GB1022 - doi:10.1029/2007GB002947

H.K Gibbs, A.S. Ruesch, F. Achard, M.K Clayton, P. Holmgren, N. Ramankutty, J.A. Foley, 2010. Tropical forests were the primary sources of new agricultural land in the 1980s and 1990s , Proc. Natl. Acad. Sci., 107, 38, 16732–16737 - doi:10.1073/pnas.0910275107

Hansen MC, Potapov P V., Moore R, Hancher M, Turubanova SA, Tyukavina A, D. Thau, S.V. Stehman, S.J. Goetz, T.R. Loveland, A. Kommareddy, A. Egorov, L. Chini, C.O. Justice, J.R.G. Townshend, 2013. High-Resolution Global Maps of 21st-Century Forest Cover Change , Science, 342, 6160,850–853 - doi:10.1126/science.1244693

K.C. Seto, B. Guneralp, L.R. Hutyra, 2012. Global forecasts of urban expansion to 2030 and direct impacts on biodiversity and carbon pools , Proc. Natl. Acad. Sci., 109, 40,16083–16088 - doi:10.1073/pnas.1211658109

R.S. DeFries,T. Rudel, M. Uriarte, M. Hansen, 2010. Deforestation driven by urban population growth and agricultural trade in the twenty-first century , Nat. Geosci., 3, 178–181 - doi:10.1038/ngeo756

P.T.S. Oliveira, M.A. Nearing, E. Wendland, 2015. Orders of magnitude increase in soil erosion associated with land use change from native to cultivated vegetation in a Brazilian savannah environment , Earth Surf. Process. Landforms, 40, 11, 1524–1532 - doi:10.1002/esp.3738

D.R. Montgomery, 2007. Soil erosion and agricultural sustainability , Proc. Natl. Acad. Sci., 104,33,13268–13272 - doi:10.1073/pnas.0611508104

G. Vieilledent, C. Grinand, F.A. Rakotomalala, R. Ranaivosoa, J.-R. Rakotoarijaona, T.F. Allnutt, F. Achardal, 2018. Combining global tree cover loss data with historical national forest-cover maps to look at six decades of deforestation and forest fragmentation in Madagascar , bioRxiv. - doi:10.1101/147827 (accès libre)

M.A.Nearing, y. Xie, B. Liu, Y. Ye Y, 2017. Natural and anthropogenic rates of soil erosion , Int. Soil Water Conserv. Res., 5, 2, 77–84 - doi:10.1016/j.iswcr.2017.04.001 (accès libre)

Y. Chendev, T. Sauer, G. Ramirez, C. Burras, 2015. History of East European Chernozem Soil Degradation; Protection and Restoration by Tree Windbreaks in the Russian Steppe , Sustainability, 7, 1,705–724 - doi:10.3390/su7010705 (accès libre)

C.J.A. Bradshaw, N.S. Sodhi, K.S.-H. Peh, B.W. Brook, 2007. Global evidence that deforestation amplifies flood risk and severity in the developing world , Glob. Chang. Biol., 13, 2379–2395 - doi:10.1111/j.1365-2486.2007.01446.x

M.G. Donat, A.L. Lowry, L.V. Alexander, P.A. O'Gorman, N. Maher, 2016. More extreme precipitation in the world's dry and wet regions , Nat. Clim. Chang., 6, 508–513 - doi:10.1038/nclimate2941

J.-S. Tan-Soo, N. Adnan, I. Ahmad, S.K. Pattanayak, J.R. Vincent, 2016. Econometric Evidence on Forest Ecosystem Services: Deforestation and Flooding in Malaysia , Environ. Resour. Econ., 63, 1, 25–44 - doi:10.1007/s10640-014-9834-4

W. Liu, X. Wei, H. Fan, X. Guo, Y. Liu, M. Zhang, Q. Li, 2015. Response of flow regimes to deforestation and reforestation in a rain-dominated large watershed of subtropical China , Hydrol. Process., 29, 5003-50015 - doi:10.1002/hyp.10459

H. Yin, C. Li, 2001. Human impact on floods and flood disasters on the Yangtze River , Geomorphology, 4, 2-3, 105–109 - doi:10.1016/S0169-555X(01)00108-8

F.J. Kroon, P.M. Kuhnert, B.L. Henderson, S.N. Wilkinson, A. Kinsey-Henderson, B. Abbott, J.E. Brodie, R.D.R. Turner, 2012. River loads of suspended solids, nitrogen, phosphorus and herbicides delivered to the Great Barrier Reef lagoon , Mar. Pollut. Bull., 65, 4-9, 167–181 - doi:10.1016/j.marpolbul.2011.10.018

H.J.R. Lenders, T.P.M. Chamuleau, A.J. Hendriks, R.C.G.M. Lauwerier, R.S.E.W. Leuven, W.C.E.P. Verberk, 2016. Historical rise of waterpower initiated the collapse of salmon stocks , Sci. Rep., 6, 29269 - doi: 10.1038/srep29269 Available from: http://www.nature.com/articles/srep29269

C. Cacciapaglia, R. van Woesik, 2016. Climate-change refugia: shading reef corals by turbidity , Glob. Chang. Biol., 22, 1145–1154 - doi:10.1111/gcb.13166

R.J. Rickson, 2014. Can control of soil erosion mitigate water pollution by sediments? , Sci. Total Environ., 468–469, 1187–1197 - doi:10.1016/j.scitotenv.2013.05.057

G.O. Cadwalader, C.E. Renshaw, B.P. Jackson, F.J. Magilligan, J.D. Landis, B.C., Bostick, 2011. Erosion and physical transport via overland flow of arsenic and lead bound to silt-sized particles , Geomorphology, 128, 1-2, 85–91 - doi:10.1016/j.geomorph.2010.12.025

Editorial, 2017. Safeguarding our soils , Nat. Commun., 8, 1989 - doi:10.1038/s41467-017-02070-6 (accès libre)