Le sol, cette couche superficielle et meuble de la croûte terrestre, est bien plus qu'un simple support physique. Il est le résultat d'une transformation complexe de la roche mère, enrichi par des apports organiques et abritant une vie foisonnante. À la fois support et produit du vivant, le sol se distingue de la croûte terrestre par la présence significative d'organismes vivants. Cet article explore la définition du sol en géologie, sa formation, ses fonctions essentielles et les enjeux cruciaux liés à sa préservation.
Définition du Sol
Le sol représente la couche superficielle, meuble, de la croûte terrestre. Les agronomes considèrent parfois comme sol la partie arable, cette pellicule superficielle homogénéisée par les labours et explorée par les racines des plantes. Un bon sol agricole est constitué d'environ 25% d'eau, 25% d'air, 45% de matière minérale et 5% de matière organique. Cependant, les pédologues estiment que la partie arable ne constitue que la partie superficielle du sol.
Albert Demolon, pédologue, a défini le sol comme « 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 quant à eux les sols agricoles, les sols boisés, les sols bâtis et les autres sols. L'étude scientifique des sols, englobant leur formation, leur constitution et leur évolution, est la pédologie.
Formation du Sol : Un Processus Complexe
La formation du sol, ou pédogenèse, est un processus lent et complexe influencé par de nombreux facteurs interdépendants. Parmi les plus importants, on retrouve :
La nature de la roche mère ou matériau d'origine : La roche mère affleure à la surface du globe suite à des mécanismes géologiques (tectonique des plaques, volcanisme, glaciation, érosion…). D'origine géologique variée (magmatique, métamorphique ou sédimentaire), la roche initiale est une roche dure ou meuble qui s'est formée il y a des millénaires. Une roche est constituée d'un assemblage de plusieurs minéraux identiques ou différents. Exemples : le granite est une roche magmatique formée par l'assemblage de minéraux de quartz, de micas et de feldspaths; le calcaire est une roche sédimentaire qui contient en forte proportion un minéral appelé : calcite. Ces minéraux principaux sont appelés : minéraux primaires. Les minéraux sont eux-mêmes constitués d'un assemblage d'éléments chimiques (atomes). Chaque minéral est défini par une composition chimique donnée. Les principaux éléments chimiques (atomes) présents dans le sol sont : l'oxygène (O) , le silicium (Si), le carbone (C), l'aluminium (Al), le fer (Fe), le calcium (Ca), le potassium (K), le sodium (Na), le magnésium (Mg). Les éléments chimiques se présentent sous forme d'ions (atomes ayant perdu ou gagné une charge électrique). Certains ions sont pourvus de charges électriques positives, on les appelle des cations, d'autres sont pourvus de charge électriques négatives, on les appelle des anions. Au cours du temps, les roches vont être désagrégées par l'érosion, les minéraux primaires vont se séparer et être altérés par des réaction chimiques provoquées par l'eau de pluie et les solutions acides des matières organiques. Les atomes présents dans le minéraux sont dans un premier temps libérés, mis en solution lors de ces réactions chimiques. puis ils se recombinent, recristallisent à partir des éléments en solution pour former de nouveaux minéraux appelés minéraux secondaires. Les principaux minéraux secondaires que l'on trouve dans les sols sont : les argiles au nom de : Illites, vermiculites, montmorillonites ou kaolinites selon leur composition, les oxyhydroxydes de fer, d'aluminium, de manganèse, de silicium et dans les sols calcaires constitués de calcite : du gypse. En résumé : au contact des racines des plantes, des micro-organismes du sol, de l'eau de pluie et des conditions atmosphériques environnementales, différentes selon les régions, la roche mère se fragmente, s'altère, se décompose pour donner un mélange de minéraux primaires et secondaires que l'on trouve dans le sol sous forme granulométrique de sables, de limons et d'argiles. Au cours du temps, se forment des couches homogènes, superposées, parallèles à la surface, appelées : horizons.
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Le climat : Le climat, avec ses variations de température et de précipitations, influence la vitesse d'altération des roches et de décomposition des matières organiques. Il a un impact sur la végétation. La température intervient dans la vitesse d’altération des roches, dans la vitesse de décomposition des matières organiques.
Le temps : Les sols se forment lentement. L'échelle de temps pour la formation d'un sol, pour qu'il arrive à maturité (développement complet des horizons) se mesure en milliers d'années. Le temps de formation d'un sol dépend du climat. Le temps mis par un sol pour arriver à maturité peut aller de dix mille ans dans les zones froides à cent ans dans les zones tropicales.
La végétation : La végétation est différente selon les lieux géographiques (montagnes, vallées, …), les climats, les roches du sous-sol …. Les débris végétaux s'étalent sur le sol, forment des litières (couches de matières organiques fraîches) qui se décomposent au fil du temps plus ou moins rapidement selon la zone climatique et se transforment en humus sous l’action des organismes et micro-organismes vivants dans le sol : bactéries, champignons, acariens, vers de terre, limaces, escargots, scarabées, fourmis, larves, taupes, mulots, …. Les matières organiques sont riches en carbone (C), hydrogène (H) et oxygène (O). L'humus et les argiles issues des minéraux de la roche d'origine vont s'associer et former les différents agrégats de particules élémentaires qui composent la terre fine du sol. Le sol est exploité par les racines des végétaux (système racinaire) qui puisent l'eau et les substances nutritives nécessaires à leur développement, en échange, elles redonnent, des substances riches en carbone qui nourrissent certains microbes, elles aèrent et forment des conduits qui servent au passage de l’eau et des gaz.
Autres facteurs : D'autres facteurs comme le relief, la topologie du terrain et l’intervention de l’homme ont également leur importance.
Les Constituants du Sol
Le sol est un mélange complexe de constituants organiques et minéraux, ainsi que d'eau et d'air.
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Constituants minéraux : Dans le sol, on trouve des constituants minéraux qui résultent de la fragmentation et de l'altération de la roche mère. Deux mécanismes de transformation de la roche entrent en jeu, un processus physique (fragmentation, désagrégation) qui sépare les minéraux primaires des roches ( exemple : quartz, feldspath, micas sont les minéraux primaires du granite) et produit des fragments de même composition chimique que la roche d'origine et un processus chimique (altération chimique principalement hydrolyse et Néoformation) qui transforme les minéraux primaires comme le quartz, les feldspaths, les micas, … en minéraux secondaires (argiles, oxyhydroxydes, …). fissurent puis éclatent. - le gel : l'eau pénètre dans les fissures, gèle, ameublit, désagrège la roche. Ces mécanismes conduisent à la fragmentation de la roche initiale. Les minéraux constitutifs de la roche d'origine se séparent les uns des autres ; on obtient des matériaux primaires de diamètre plus ou moins fins. L'altération chimique s'opère par le biais de réactions chimiques en présence d'eau (hydrolyse). Les minéraux des roches sont composés d'éléments chimiques plus ou moins solubles. L'eau de pluie dissout les éléments chimiques et les libèrent sous forme soluble. Les minéraux primaires sont appauvris, ils perdent par dissolution des éléments chimiques ou en gagnent et se transforment en minéraux secondaires dits hérités. Certains éléments chimiques en solution se combinent, cristallisent (néoformation) en nouveaux minéraux secondaires dits néoformés. Les argiles sont le produit de la dégradation et de la transformation de roche à minéraux silicatés (micas, feldspaths,…) sous l'action de l'eau de pluie et des acides secrétés par les plantes. Les argiles sont des silicates d'alumine. Le terme argile est employé ici dans le sens d' argile minérale à ne pas confondre avec le mot argile utilisé en granulométrie pour désigner des éléments fins de taille inférieure à 2 microns. Il existe plusieurs types d'argiles minérales, elles portent les noms suivants : Illites, vermiculites, montmorillonites, kaolinites. Elles sont différenciées par leur nombre de charges négatives, Les charges négatives entourent les argiles et attirent les éléments minéraux chargés positivement présents dans la solution du sol comme le potassium, le sodium, le calcium, le fer.Les argiles minérales sont des minéraux de taille très fine inférieure à 2 microns, ces minéraux se trouvent principalement dans la partie de la terre fine appelée : argile au sens granulométrique.
Matière organique : Les végétaux sont composés de molécules organiques. La matière organique fraîche est formée de détritus d'origines végétale et animale de nature différente selon le lieu. La matière organique fraîche est constituée : de matières composées de carbone (C) et d'éléments minéraux. Peu ou pas transformée, la matière organique fraîche constitue la matière première de l'humus. Déposée sur le sol la matière organique fraîche va être progressivement décomposée. Le mécanisme de décomposition va transformer la matière organique en gaz carbonique (CO²) et libérer les éléments minéraux organiques quelle renferme. Le sol renferme un grande quantité d'organismes vivants (bactéries, champignons, acariens, vers de terre, limaces, escargots, scarabées, fourmis, larves, taupes, mulots, …). Ce sont ces organismes qui vont décomposer la matière organique fraîche , libérer ses composés qui vont subir un processus de minéralisation ou d'humification. Une autre partie donne des molécules nouvelles complexes, de nature colloïdales qui vont constituées l'humus : c'est le processus d'humification. L'humus est composé de plusieurs composés humiques, les principaux sont les acides fulviques, les acides humiques et l'humine. Par la suite les composés humiques qui forment l'humus, vont se minéraliser lentement à leur tour. L'humus . Les types d'humus. L'humus est de la matière organique décomposée qui va fournir une alimentation en carbone et une alimentation minérale au sol et aux plantes. Selon l'activité biologique et le climat, la matière organique fraîche va se transformer en humus plus ou moins rapidement. Différents stades de progression de la décomposition vont apparaître. et donner des couches d'humus aux caractères morphologiques différents.
Eau et air : - les vides emplis de gaz (oxygène, azote, gaz carbonique); - la " solution du sol ", formée d'eau et de substances minérales dissoutes.
Fonctions Essentielles du Sol
Les sols remplissent de nombreuses fonctions vitales pour l'environnement et les sociétés humaines :
Support de la vie : Le sol héberge un écosystème complexe et diversifié, abritant une multitude d'organismes, des micro-organismes aux animaux plus grands. 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).
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Production agricole et sylvicole : Le sol est le support de la production de récoltes et de forêts, fournissant aux plantes les nutriments, l'eau et l'ancrage nécessaires à leur croissance.
Régulation du cycle de l'eau : Le sol retient les eaux de pluie et de ruissellement, contribuant à la recharge des nappes phréatiques et à la régulation des crues. L'eau du sol fournit donc aux végétaux les nutriments dont ils ont besoin sous forme de solutions minérales. On distingue les nutriments de base, que les végétaux consomment en quantités importantes (azote, phosphore, soufre, calcium, magnésium, potassium) et les nutriments secondaires, éléments-traces (ou oligoéléments) indispensables à faible dose (fer, manganèse, cuivre, zinc, bore, molybdène), mais qui peuvent se révéler toxiques lorsqu'ils sont trop abondants. La silice, souvent absorbée en forte quantité, n'est pas considérée comme un nutriment car elle n'est pas indispensable à la vie végétale. Par ailleurs, les processus de minéralisation et de dissolution s'exercent sans distinction entre les éléments favorables ou indispensables à la vie d'une plante et ceux qui ne le sont pas. De plus, les racines ne sont pas capables de sélectionner puis d'éliminer ceux qui ont une action négative. L'eau du sol peut donc apporter aussi aux plantes des substances toxiques, tels l'aluminium des sols acides ou certains éléments provenant de déchets industriels, comme le plomb, le mercure, le cadmium. Les conséquences diffèrent selon la concentration et le degré de toxicité des substances. Les éléments nocifs peuvent tuer la plante, ou simplement ralentir sa croissance, gêner son développement, ou encore n'avoir aucune influence.
Stockage du carbone et de l'azote : Le sol joue un rôle majeur dans le cycle du carbone et de l'azote, stockant ces éléments et contribuant à la régulation du climat. 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. 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.
Filtration et dégradation des polluants : Le sol peut filtrer et dégrader certains polluants, contribuant à la purification de l'eau et de l'air.
Enjeux Liés aux Sols
Les sols sont confrontés à de nombreuses menaces, qui compromettent leur bon fonctionnement et les services qu'ils rendent :
Érosion : L'érosion des sols, accélérée par les pratiques agricoles non durables, la déforestation et l'urbanisation, entraîne une perte de fertilité et une dégradation des écosystèmes. Un sol fragilisé offre alors une prise à une érosion pluviale ou à une érosion éolienne (ou aux deux), selon les conditions climatiques. Il se produit un décapage des horizons de surface et parfois même de la totalité du profil. La matière organique et les particules fines sont entraînées les premières. En conséquence, la faune et la microflore disparaissent. La structure du sol devenant de plus en plus compacte, les pluies ne parviennent plus à reconstituer les réserves en eau de sol ni à alimenter les nappes aquifères profondes.
Pollution : La pollution des sols par les activités industrielles, agricoles et urbaines contamine les ressources en eau et menace la santé humaine et environnementale.
Artificialisation : L'artificialisation des sols, due à l'urbanisation croissante, entraîne une perte de terres agricoles et une imperméabilisation des sols, augmentant les risques d'inondation. La croissance urbaine, se traduisant par l’étalement urbain et la périurbanisation, accélère leur artificialisation.
Dégradation de la matière organique : La perte de matière organique dans les sols, due à des pratiques agricoles intensives, réduit leur fertilité et leur capacité à stocker le carbone.
Tassement : Le tassement et la semelle de labour peuvent induire une perte de rendement de 10 à 30 %.
Protection et Gestion Durable des Sols
La protection et la gestion durable des sols sont essentielles pour assurer la sécurité alimentaire, la préservation de la biodiversité et la lutte contre le changement climatique. Cela passe par la mise en œuvre de pratiques agricoles durables, la réduction de la pollution, la limitation de l'artificialisation des sols et la restauration des sols dégradés. 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.
Diversité des Sols et Zonation Climatique
À l'échelle de la planète, la répartition des zones de sols suit assez bien celle des climats. Les principaux facteurs qui président à la formation d'un sol à partir d'une roche mère étant l'eau et la chaleur, les différents types de sols vont donc suivre une zonation thermique (péripolaire), sensiblement latitudinale, et une zonation hydrique (péridésertique), qui dessine des auréoles centrées sur les déserts.
Sols Peu Évolués
Cette classe regroupe tous les sols caractérisés par un faible degré d'évolution et d'altération et un taux de matière organique limité. Les sols de désert sont pratiquement dépourvus de matière organique.
Sols Brunifiés
Ce sont notamment les sols des forêts et des prairies des régions tempérées. Ils offrent un profil constitué de trois horizons bien différenciés (A, B et C). L'humus de l'horizon superficiel (A) est bien minéralisé (mull), et l'horizon intermédiaire (B) est coloré en brun par des oxydes de fer. Dans le cas de sols lessivés, cet horizon se scinde en deux : un niveau plus clair, appauvri, surmonte un niveau beaucoup plus coloré, enrichi. L'horizon C, le plus profond, présente une faible altération de la roche brute. Ces sols se forment sur n'importe quelle roche à condition que leur composition soit favorable à la « brunification ».
Tchernozems
Ils sont très développés dans les steppes semi-arides à climat continental (Roumanie, Ukraine, Chine, Argentine), où les précipitations, quoique peu abondantes, sont relativement régulières : l'alternance du lessivage en période de pluie et des remontées capillaires en périodes sèches interdit la formation d'horizons d'accumulation. Le profil du sol est envahi de façon homogène par de l'humus bien minéralisé de type mull.
Podzols
En présence d'eau, la matière organique, non minéralisée, fortement acide, attaque et détruit les argiles. L'alumine et le fer entraînés, il reste un horizon noir cendreux, purement siliceux, surmontant un horizon d'accumulation humique et ferrugineux. Les podzols sont surtout développés sur des roches siliceuses et se rencontrent là où la température moyenne est comprise entre 0 et 8 °C et où les précipitations sont supérieures à 500 mm par an (Russie, Suède, Pologne).
Sols Ferrallitiques
Ce sont les sols rouges méditerranéens, les sols fersiallitiques tropicaux et les sols ferrallitiques. Ils se développent sur n'importe quelle roche suffisamment riche en fer (d'où leur coloration) et dans un milieu bien drainé. Naturellement peuplés de forêts (méditerranéenne, tropicale ou équatoriale) ou de prairies, ils caractérisent les régions à température et pluviométrie élevées, avec une alternance très marquée des saisons humides et sèches. Les processus d'hydrolyse et d'oxydation sont poussés à l'extrême. La déforestation des sols ferrallitiques provoque une induration de la surface (croûte latéritique, ou cuirasse, riche en fer et en alumine) qui peut atteindre plusieurs mètres et sur laquelle rien ne pousse. En revanche, les cuirasses constituées de minerai d'aluminium (bauxite) offrent un intérêt industriel.
Rendzines et Sols Hydromorphes
- Rendzines : Bien qu'on ne rencontre ces sols qu'en région tempérée (au sens large), leur répartition suit celle de leur roche mère. Ils présentent un profil à deux horizons (A et C) et se forment à partir d'un substratum calcaire. Celui-ci subsiste à l'état de fragments dans une matière argileuse, sombre à rougeâtre, suivant le climat, et bien structurée. L'horizon A est abondamment colonisé par les racines des végétaux (forêts, arbustes calcicoles et « pelouses calcaires »).
- Sols Hydromorphes : On les rencontre dans les zones saturées d'eau en permanence ou presque. Des phénomènes de ségrégation locale et de réduction (sulfates en sulfures, fer ferrique en fer ferreux), liés à la saturation qui entraîne un déficit en oxygène, y sont observés. Les sols hydromorphes se divisent en deux groupes : les tourbes, issues d'une dégradation très lente des végétaux hydrophiles qui les colonisent, et les gleys, plus ou moins humifères, à trois horizons (A, B, C), de structure généralement massive. Ils sont constitués d'argiles gris-vert ou vert-bleu, colorées par des dépôts de fer ou présentant un horizon noirâtre (concentration de fer insoluble) sous l'horizon de surface.
Sols Halomorphes
Ils se développent dans les régions salées, en bordure des mers actuelles (Camargue) ou anciennes (Russie méridionale) et dans les endroits où s'accumulent des alluvions apportées par les rivières traversant des zones salées (chotts). En général, le sel entraîne les argiles. Le sol est massif, mal drainé, et supporte une végétation halophile, ou bien de type mangrove quand le milieu est plus humide et plus chaud.
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