Chapitre 2 : PRESENTATION DU MILIEU

Chapitre 2 : PRESENTATION DU MILIEU 2.1 CADRE GEOGRAPHIQUE Les sols étudiés dans ce mémoire sont situés à l Est de la France sur des plateaux calcaires formés par les couches géologiques du Jurassique moyen (Figure 2-1). Les affleurements du Jurassique moyen forment un croissant qui épouse le contour du bassin parisien du nord de la Bourgogne aux Ardennes. L altitude varie entre 200 et 300m. La zone étudiée est délimitée par la ville de Metz au nord, par Nancy et Toul au centre et par Neufchâteau au sud. Figure 2-1: Localisation de la zone d'étude. Le secteur étudié correspond aux zones 6 et 7 dites Pays Haut et Haye. 29

2.1.1 CLIMAT Dans cette région, le climat est de type semi-continental avec une forte influence océanique. Les flux océaniques d Ouest, de Sud-Ouest et de Nord-Ouest ont représenté jusqu à 50% des situations météorologiques à Metz pour la période 1986-1991. Pour la même période, les influences continentales ont représenté 20% des situations. La pluviométrie annuelle moyenne des 35 dernières années est de 755 mm (station de Nancy Tomblaine) pour une Evapotranspiration potentielle (ETP Penman) de 670 mm. Ces moyennes masquent une très grande variabilité. Les pluies se caractérisent par de très grandes variations inter-annuelles avec des années très humides (982 mm en 1986) et très sèches (536 mm en 1976). Les variations de précipitation à des pas de temps plus courts sont encore plus importantes. Il a plu 198 mm en mai 1983 et seulement 2,4 mm en octobre 1969. mm d'eau Pluviométrie mensuelle ETP mensuelle Température moyenne 140 120 100 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 30 20 10 0-10 Mois dans l'année Figure 2-2: Caractéristiques climatiques de la station météorologique de Nancy-Tomblaine calculées sur 35 ans (1961-1995). De même, les variations annuelles et saisonnières de température sont très importantes. Les températures estivales sont de 18,4 C en Juillet et de 17,9 C en Août. Il existe un déficit hydrique moyen de cinq mois (Avril à Août) qui représente un déficit moyen total de 206 mm (Figure 2-2). En dépit du dicton local : «En Lorraine il y a deux saisons, l hiver et le 15 Août», on peut présager que dans les sols à faible réserve en eau, les végétaux seront soumis à de forts stress hydriques. 40 T C 30

2.1.2 GEOLOGIE, HYDROGEOLOGIE Les plateaux du Dogger forment un ensemble géologique tabulaire légèrement incliné vers l'ouest. Les couches calcaires dures du Jurassique moyen surmontent les marnes liasiques tendres et sont à l'origine du relief de côte (Figure 2-3). Figure 2-3: Coupe géologique schématique des plateaux du Dogger lorrain. -série stratigraphique: Figure 2-4: Colonne de dureté des roches des couches géologiques du Dogger lorrain. 31

Certains calcaires comme les calcaires à polypiers du Bajocien inférieur sont très durs et peu altérables. Sur les matériaux tendres comme les calcaires à oolithes les sols sont généralement plus épais que sur les calcaires durs. La dureté des calcaires conditionne donc en partie l épaisseur des sols. Les calcaires les plus tendres sont aussi généralement les plus poreux et peuvent contenir de l eau utilisable par les plantes. La fracturation des calcaires du plateau est bien connue au travers de nombreux relevés miniers et plus récemment par une étude géomorphologique (Deffontaines, 1990). De nombreuses failles de rejets très inégaux découpent la région selon deux directions privilégiées (NW et NNE). Ces failles s'amortissent en flexures dans les couches incompétentes du Lias. Dans les couches calcaires surmontant le plancher imperméable du Lias (schistes cartons du Toarcien), des aquifères alimentés par circulation karstique se sont développés. Des traçages à la fluorescéine (Le Roux et Salado 1980) ont permis de préciser les temps de transfert (10 à 20 m/h), ainsi qu une alimentation de la nappe alluviale de la Moselle par le plateau selon une direction sud-nord concordante avec la fracturation. Au calcaire se superposent des formations superficielles de deux types: -La terra fusca : c est une argile rougeâtre provenant de l altération des calcaires. Guillet et al. (1984) ont montré que la couleur rouge est due à la présence de goethites très fines et que les argiles contenues dans le calcaire ont la même composition que dans la terra fusca. Les conditions de formation de la terra fusca sont discutées. Gury et Duchauffour (1972) leur attribuent une origine ancienne provenant de la dissolution des calcaires sous un climat chaud. Actuellement leur origine est considérée comme plus récente avec des conditions de formation correspondant à un climat tempéré (Comm. Orale M. Gury). La formation des sols se rapprocherait donc de celle des terres d Aubue formées par altération de calcaires du Jurassique moyen et supérieur en Bourgogne (Baize 1991). -Les limons : des placages limoneux sporadiques d épaisseur variable sont présents sur le plateau. Ils sont généralement situés au centre des plates-formes et ont été érodés en bordure de plateau. L origine de ces limons est principalement fluviale. Ils sont relativement nombreux sur le plateau de Haye où ils ont été déposés par la Moselle dont le cours est actuellement 100m plus bas que les placages limoneux. On retrouve plus rarement des limons éoliens. Au nord et au sud du plateau de Haye, les dépôts limoneux sont plus rares. 32

2.1.3 PRESENTATION DES SOLS Comme dans beaucoup de systèmes pédologiques, la topographie conditionne la répartition et l'épaisseur des formations superficielles et donc, indirectement, la pédogenèse. Pour la dénomination des sols, nous utiliserons le référentiel pédologique français (AFES, 1995) En accord avec Gury et Duchauffour, (1972), nous avons distingué trois grands types de pédopaysages suivant la toposéquence suivante (Figure 2-5) :. - Des Rendosols colluviques et des Rendosols occupent les versants,. - Des Rendosols, des Rendisols et des Calcosols se situent en bordure des plateaux calcaires, - Des sols de type Calcisol et Brunisol sont localisés en position intermédiaire. - Des Brunisols luviques, des Néoluvisols, et des Luvisols occupent le centre des plateaux. Ces sols sont développés sur des dépôts limoneux anciens. D après les travaux de Gury et Duchauffour (1972) cette séquence de sols ne résulte pas de la transformation d un matériau de départ unique. Certains processus ont été accélérés car les sols lessivés se sont développés sur des dépôts limoneux déjà décarbonatés. D autres ont été ralentis car la décarbonatation et l approfondissement des sols de bordure de plateaux ont été bloqués par des phénomènes de ruissellement et d érosion. Toutefois, nous avons noté une grande cohérence de données sol de telle sorte que les différents pédons présentent les caractéristiques physicochimiques liées à leur définition dans la classification. Ainsi, on retrouve ici, les processus d altération décrits par Jamagne (1973) sur une séquence de sols issus de lœss carbonatés du Bassin Parisien. Sans entrer dans le détail, la pédogenèse commence par une décarbonatation suivie d une décalcification et enfin d'une désaturation avec lessivage des argiles. 33

Rendosol Calcosol ph # 8.2 sols carbonatés Calcisol ph # 7 sols décarbonatés Brunisols luviques ph # 6 S/T # 0.8 Neoluvisols ph < 6 S/T # 0.5 S/T # 1 Figure 2-5: Coupe schématique du plateau de Haye. La séquence d altération des sols que nous étudions ici est typique de la pédogenèse en milieu tempéré. Les premiers stades d évolution dans lesquels les sols sont différenciés (Calcosols Calcisols) sont aussi relativement fréquents en Europe partout où des calcaires affleurent. Le stade suivant où apparaît le lessivage (Luvisol) représente 650 millions d ha dans le monde. 2.1.4 OCCUPATION DES SOLS Les couches géologiques du Dogger lorrain forment deux grandes régions naturelles référencées sous les noms de «pays haut» et «plateau de Haye» dans l Inventaire Forestier National (IFN. 1998. Atlas par région forestière. Tome I :Nord-est de la France. Réf. A-0921 ou http://www.ifn.fr). 34

Le «pays haut» couvre la partie nord du plateau (Figure 2-6). La production agricole est nettement dominante et couvre 61% de la superficie. Sur le «plateau de Haye» situé plus au sud, les forêts représentent 46% de la surface du territoire contre 41% pour les cultures. Le couvert forestier est constitué presque exclusivement par des feuillus. Le hêtre est l espèce la plus représentée ; c est l essence climacique (climax climatique), c est à dire en équilibre avec le climat et le sol. Les sols cultivés le sont presque exclusivement en céréales. L assolement blé, orge d hiver/orge de printemps, colza représente plus de 85% des surfaces cultivées en 1996 (données chambre d agriculture de Toul). Le blé représente à lui seul 40% de la surface agricole (comm. Orale, Chambre d Agriculture de Toul). L ensemble forêts et cultures céréalières représente plus de 80% de la superficie du territoire étudié. Les landes et les prairies sont presque inexistantes et constituent moins de 1% du territoire. Parmi les deux grands types de mise en valeur du sol (forêt/culture), le hêtre et le blé sont les deux espèces dominantes. Nous retiendrons ces deux espèces pour étudier l effet de la mise en valeur du sol sur ses propriétés physiques. Dpt 55 Dpt 57 Dpt 54 PAYS HAUT : Forêts :24%, dont feuillus :89% avec essence principale =hêtre Cultures :61% Bati, eau :14% PLATEAU DE HAYE : Forêts :46%, dont feuillus :88% avec essence principale =hêtre Cultures :41% Bati, eau :12% Figure 2-6: Usage des sols localisés sur les couches géologiques du Dogger lorrain 35

2.2 APPROCHE METHODOLOGIQUE ETUDE DES PROPRIETES HYDRIQUES DES SOLS Nous ne détaillerons pas ici les méthodes les plus courantes pour caractériser les sols car elles sont décrites dans les articles qui suivent. Néanmoins, nous discuterons plus spécialement de plusieurs aspects des sols dont l intérêt est apparu important, à savoir, les conditions d échantillonnage, la caractérisation des sols riches en matières organiques et des sols riches en éléments grossiers, la stratification de l échantillonnage et l'influence du volume des échantillons sur les propriétés physiques. 2.2.1 ECHANTILLONNAGE Afin de prendre en compte une éventuelle variabilité spatiale des propriétés, trois sites d échantillonnage situés sur un axe nord sud ont été retenus (Figure 2-7). Le site principal est situé sur le plateau de Haye à l ouest de Nancy (site I). Un deuxième site est situé plus au nord, au nord-ouest de Pont-à-Mousson (site II). Enfin, un troisième site est situé 45 km au sud de Nancy (site III). Au total, ce sont plus de 91 horizons qui ont été collectés sur 33 profils de sols qui se répartissent comme suit : Site I : 73 horizons, 26 profils Site II : 14 horizons, 4 profils Site III : 4 horizons, 3 profils Une partie des sols a été prélevée sur des profils types répondant à la définition du référentiel pédologique français. D autres présentant des caractères intermédiaires ont aussi été prélevés. L échantillonnage a été effectué sous deux couverts végétaux, le blé et le hêtre. Les horizons de sols ont été prélevés en fin d hiver sous forme de blocs décimétriques non perturbés à une humidité des échantillons proche de la capacité au champ. Ils ont été conservés en chambre froide sous emballage hermétique de façon à modifier le moins possible leur état hydrique et éviter un pic de minéralisation de la matière organique. Une partie des échantillons a été séchée à l air et tamisé à 2 mm pour les analyses pédologiques courantes. 36

Site 2 Site 1 Site 3 Figure 2-7 : Localisation des sites étudiés. Extrait de la carte géologique de la France au 1/1 500 000 ème (B.R.G.M., 1980). 2.2.2 POROSITE, RETENTION EN EAU Cas des échantillons très riches en matières organiques Dans les mesures de rétention en eau des échantillons, nous avons du tenir compte de la présence parfois importante de matières organiques. D après Gardner (1965), il peut y avoir une perte de masse par oxydation de matières organiques et évaporation de produits volatils entre 50 et 105 C, mais pas à 50 C. Nous avons notamment vérifié que la référence à 105 C est valable pour tous les échantillons quel que soit leur taux de matière organique (Figure 2-8). 37

0.7 0.6 A1 A1(B) Teneur en eau (cm 3.g -1 ) 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 B/C E A1/C 24h à 105 C 24h à 50 C 48h à105 C 48h à 50 C 0 Brun lessivé Rendzine colluviale Rendzine brunifièe Figure 2-8: Comparaison entre les teneurs en eau par référence au poids à 50 c et 105 C. Les échantillons de type rendzine sont très riches en matières organiques (Corg=110g.kg -1 ). Les échantillons de type brun lessivé sont pauvres en matières organiques (Corg<5g.kg -1 ). En outre, comme les matières organiques se différencient des autres constituants du sol par leur masse volumique, nous avons adopté si nécessaire le système de présentation basé sur l indice d eau (volume d eau / volume de solide) et l indice des vides (volume des vides / volume de solide). Ce mode de représentation permet de comparer des sols de densité réelle différente (Schéma 1). Ainsi dans les rendzines contenant jusqu'à 20% de matière organique la densité réelle peut être inférieure à 2,4, contrairement aux horizons Bt qui contiennent du fer pour lesquels la densité atteint 2,7. Après avoir mesuré la densité réelle de cinq horizons selon le protocole de Blake (1965), nous avons vérifié que la densité est étroitement reliée à la constitution. Sur la base de la densité du quartz (2,65), du complexe argile-oxydes (2,87) et des matières organiques (0,9), les densités calculées s avèrent très proches des densités mesurées (Figure 2-9) air eau solide Schéma 1: Représentation des volumes d air, d eau et de solide de même volume total, même teneur en eau volumique mais de densité réelle différente 38

. Densité calcul 2.7 2.6 2.5 2.4 y=x 2.3 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 Densité mesurée Figure 2-9: Densité réelle calculée en fonction de la densité réelle mesurée. Importance des éléments grossiers Les sols de type Rendosol ou Calcosol contenant des éléments grossiers, nous avons du tenir compte de leur présence. Des graviers calcaires appartenant à différents sous étages géologiques du Dogger ont été saturés en eau par remontée capillaire sous vide durant quinze jours. Leur teneur en eau après saturation a permis de quantifier leur porosité connectée. Les résultats de mesures montrent que les échantillons sont saturés d eau. Ces graviers ne contiennent donc pas de porosité fermée non accessible à l eau (Figure 2-10). Le Tableau 2-1 montre les résultats d une analyse statistique de l humidité volumique à saturation en fonction de l origine géologique des graviers. Les teneurs en eau s échelonnent de 0.085 à 0.115 cm 3 /cm 3. Cependant les différences entre les différents groupes ne sont pas significatives. La variance entre les groupes est faible devant la variance au sein de chaque groupe. L origine géologique et pédologique des graviers n explique que 15% de la variabilité de leur rétention d eau. D autres facteurs que la lithologie des calcaires sont à envisager pour expliquer leur rétention d eau. 39

Une autre approche a consisté à différencier les éléments grossiers en fonction de leur morphologie et de leur niveau d altération. Trois types d éléments grossiers ont été distingués : -Les cailloux de calcaire frais (non altéré), -Les cailloux de calcaire altéré, -Les graviers ( 2mm<Ø<2cm ) La porosité mesurée par intrusion de mercure a permis de définir trois types de porosité (Tableau 2-2): -La porosité totale -La porosité retenant l'eau à 0,1 MPa (Ø>3 µm). -La porosité retenant l'eau jusqu'à 1,6 MPa Ø>0,2 µm) On constate que la porosité totale des graviers et des cailloux varie entre 0,07 et 0,15 cm 3 /cm 3. Les échantillons altérés sont beaucoup plus poreux que les échantillons de calcaire frais. Cependant, dans tous les cas de figure, la porosité susceptible de retenir de l eau utile par les végétaux est très faible et toujours inférieure à 0.06 cm 3 /cm 3. Ainsi, en supposant que le potentiel matriciel du sol n'excède jamais 1,6MPa, une grande partie de l'eau des cailloux peut être considérée comme non utilisable. Cependant, afin de tenir compte de la présence des éléments grossiers dans nos calculs de teneur en eau, nous avons utilisé la formule suivante : H= [(M hum M sec ) sol total - (C*M sec ) EG ]/( M sec -(M sec ) EG Où : H= humidité pondérale du sol sans la contribution des éléments grossiers (cm 3 /g) M hum = masse humide M sec = masse sèche (105 C) C= constante représentant la part du contenu en eau des éléments grossiers (EG). : C=0,04 cm 3 /cm 3 (ψ=-1kpa 10kPa) C=0,03 cm 3 /cm 3 (ψ=-32kpa 100kPa) C=0,02 cm 3 /cm 3 (ψ=-350kpa 1600kPa) 40

0.2 0.18 0.16 Indice d'eau 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 Droite de saturation 0 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Indice des vides Figure 2-10: Relation entre l'indice des vides et l'indice d'eau de graviers calcaires saturés d'eau par remontée capillaire. Tableau 2-1: Teneur en eau moyenne à saturation de graviers calcaires de différentes provenances. Les lettres indiquent les regroupements effectués par ANOVA (P<0,05 ; Test du T corrigé de Bonferroni) Catégories Moyenne (cm 3.g -1 ) Regroupements Calcaire oolithique, Rendosol brunifié forestier 0.085 A Calcaire coquiller, Calcisol forestier 0.090 A Calcaire coquiller, Calcisol cultivé 0.090 A Calcaire oolithique avec importante matrice, Rendosol colluvial 0.101 A Calcaire oolithique, Rendosol cultivé 0.110 A Calcaire oolithique, Rendosol brunifié forestier 0.113 A 41

Tableau 2-2: Porosité d'éléments grossiers mesurée par porométrie mercure. profil calcaire oolithique sous Rendosol colluvial : -frais porosité totale (cm 3 /cm 3 ) porosité >0,2µm. (cm 3 /cm 3 ) porosité >3µm. (cm 3 /cm 3 ) 0.074 0.044 0.011 -altéré 0.124 0.089 0.058 -graviers 0.093 0.042 0.015 calcaire oolithique sous Rendosol brunifié : -frais 0.102/0.109 0.015/0.016 0.0051/0.0055 calcaire coquiller sous Calcisol: -frais 0.0764 0.033 0.018 -graviers 0.156 0.097 0.04 42

Validation de l échantillonnage. Intérêt de la stratification en horizons Notre étude reposant sur le prélèvement d horizons, il convenait de s interroger sur la pertinence de ce type d échantillonnage, notamment par rapport aux propriétés physiques. A cet effet, nous avons comparé les horizons à un découpage du sol par incréments de 10 en 10 cm (Figure 2-10). Il apparaît une très bonne correspondance entre les deux méthodes même si des différences sont observées localement, aussi bien à la capacité au champ qu à l humidité au point de flétrissement. On obtient un stock d eau de 201 et 212 mm au point de flétrissement et de 351 et 357 mm à la capacité au champ (Figure 2-11). Les réserves utiles calculées sont de 145 mm (échantillonnage pédologique) et de 150 mm (échantillonnage avec incréments de 10 cm), soit une différence de 3%. En passant de 10 prélèvements à 4 prélèvements avec prise en compte des horizons, les profils et les stocks hydriques n ont pas changé de façon significative. Nous avons donc considéré que l horizon pédologique est l entité représentative du sol du point de vue de ses propriétés hydriques. Profondeur en cm 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 20 40 60 80 100 120 Humidité au champ (cm 3 /cm 3 ) Stock d'eau:-hz pédo.: 201 mm -Tranches: 212 mm découpage en horizons pédologiques découpage en tranches de 10 cm Profondeur en cm 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 20 40 60 80 100 120 Humidité au point de flétrissement (cm 3 /cm 3 ) Stock d'eau:-hz pédo.: 351 mm -Tranches: 357 mm découpage en horizons pédologiques découpage en tranches de 10 cm Figure 2-11: Comparaison entre les profils hydriques d'un sol brun lessivé obtenus avec un prélèvement par horizon et un prélèvement par incrément constant. A gauche, teneur en eau à la capacité au champ. A droite, teneur en eau au point de flétrissement. 43

Influence du volume de l échantillon Bruand (1985) à mis en évidence un effet important du volume de l'échantillon sur la mesure des propriétés hydriques, particulièrement sur l'intensité des phénomènes de retraitgonflement. Dix-sept horizons de la base de données ont été choisis aléatoirement pour étudier les effets du volume de l échantillon sur la rétention d eau et la densité apparente. Le spectre de fréquence de la taille des mottes (Figure 2-12) issu de cet échantillonnage s étend de 1 à 12 cm 3. Les 2/3 des mottes ont des tailles comprises entre 4 et 7 cm 3 avec une moyenne de 5,74 cm 3. Le Tableau 2-3 montre les résultats de régressions obtenues entre la densité apparente (Da) où la teneur en eau à la capacité au champ (Hcc), et le volume des échantillons. Ce dernier explique en moyenne 14,3% de la variabilité de Da et 15,4% de la variabilité de Hcc. Les écarts à la moyenne sont très importants et la variabilité expliquée est toujours inférieure à 45%. Au seuil de 5%, le volume de l échantillon n apporte jamais d information significative sur la densité apparente et apporte une information significative sur l'humidité à la capacité au champ pour un seul des échantillons. Pour cet échantillon, l analyse des résidus permet de souligner que ce résultat est du à un seul point qui s écarte du nuage de points formé par les autres répétitions. Au total, on peut raisonnablement affirmer que dans la gamme des tailles d échantillons étudiée, le volume de l échantillon, n a pas d effet sur la densité apparente et la teneur en eau. 44

30 25 Fréquence 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Taille de l'échantillon (cm 3 ) Figure 2-12: Diagramme de fréquence de la taille des mottes utilisées pour la mesure de la courbe de rétention d'eau. Tableau 2-3: Relations entre la taille de l'échantillon et sa densité apparente ou de sa teneur en eau à 10kPa. Ho Da et Ho Hp représentent le risque de rejet de l hypothèse (en %) selon laquelle la taille de l échantillon apporte une information sur Da ou sur Hp. Type de sol type d'horizon mode d'occupation % de la variabilité expliqué par la taille de l'échantillon Densité Humidité apparente pondérale Ho Da Ho Hp (cm 3.g.1 ) E 1.72 0.55 75.67 86.14 SBFL Bt Culture 42.6 0.6 41.51 86.79 Ap 13.62 44.7 5.65 4.9 RBR Ap Culture 0.15 21.1 93.41 29.86 A1 18.7 1.5 33.19 38.77 SBE B1 Forêt 22.4 43.5 28.32 10.81 B2 0.5 0.5 87.4 88.09 A1 27 27.6 23.09 22.6 SBM SBL SL RBR B Forêt 3.3 1.14 69.5 82 A1 0.5 1.56 87.76 78.99 A2 33.3 29.1 17.49 21.16 Forêt B1 43.3 41.77 10.81 16.55 B2 5.2 11.45 62.13 45.79 A1 37.4 3 40.87 71.01 Forêt B1 3.0 0.72 70.9 85.66 A1 1.5 3.91 79.08 67.08 Forêt B/C 8.4 10.25 57.76 53.62 Moyenne 14.3 15.4 45

2.3 CONCLUSIONS Ce chapitre nous a permis d aborder deux grands aspects des sols à savoir (i) leur distribution en fonction de leur position topographique et (ii) leurs conditions d échantillonnage et de caractérisation compte tenu de leur spécificité. La zone d étude regroupe sur une faible surface une grande diversité de sols. Cette dernière nous laisse supposer une grande variété de comportements hydriques. Ce large panel de sols nous permetra de mieux cerner la nature et le poids des variables dans les propriétés hydriques de façon à les intégrer dans les fonctions de pédotransfert Dans cette diversité de sols, nous avons voulu nous assurer de la représentativité de l échantillonnage. Les résultats montrent que des sols de nature et d usage différent peuvent être étudiés par une approche basée sur l étude des horizons. Nous avons tenu compte de la spécificité de certains types d horizons présentant de fortes teneurs en matières organiques ou en éléments grossiers. Nous avons conclu que la variabilité de la taille des mottes (à l échelle centimétrique) ne joue pas un rôle déterminant sur les résultats des mesures. Sur ces bases, nous pouvons caractériser les sols de manière fiable notamment en vue de l étude de leurs propriétés physiques. 46