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Lutte antiérosive

Thème 5. Spatialisation des risques de divers types d'érosion (SIG)

Évaluation qualitative et quantitative de l’érodibilité de différentes unités paysagères représentatives du Burundi : de la parcelle au micro bassin

H. Duchaufour et C. Mikokoro

Résumé

Entre 1977 et 1995, la Coopération française a financé des travaux de recherche sur l'érosion des sols menés par une équipe de chercheurs franco-burundais de l’Institut des Sciensces Agronomiqques du Rudundi (ISABU). Cinq stations constituées de parcelles Wischmeier ont été implantées dans différentes situations agraires et paysagères représentatives du pays. Le suivi des expérimentations sur plusieurs années a démontré que tous les sols étudiés ont une bonne à très bonne résistance à l’érosion (K oscillant entre 0,003 et 0,15).Leur comportement vis-à-vis de l’érosion varie en fonction de leurs propriétés structurale, porale et physico-chimique : la détachabilité et le charriage des agrégats caractérisent plutôt les sols ferrallitiques argileux évoluant sur schiste du Mumirwa central (Crête Congo-Nil) alors qu’une dégradation chimique, structurale et porale par dilution progressive des matières organiques et transferts sélectifs des cations basiques (Ca2+) distingue les sols bruns eutrophes et sols en voie de ferrallitisation développés sur les séries volcanosédimentaires de la dépression orientale du Moso.
En condition cultivée avec amendement organique, les phénomènes de lixiviation des cations basiques Ca2+ et de Mg2+ sont rapides et intenses en condition acide et significatifs d’une dégradation accélérée de la fertilité avec une désaturation du complexe absorbant et inversement, une augmentation de l’acidité et de l’aluminium échangeable. Dans le cas des sols argileux eutrophes du Moso, la mise en solution des nutriments des sols, proportionnellement plus importante que les sols férrallitiques, n’est inquiétante que sur le plan de la matière organique (de 15 à 30 % supérieur au sol en place) et plus encore du phosphore. Cette sélectivité agissant surtout sur les éléments fertiles du sol constitue une contrainte réelle pour maintenir leur productivité.
Les résultats observés sur deux micro-bassins expérimentaux de 4 et 6,5 ha du Mumirwa central montrent que les pertes mesurées au champ (sur parcelles Wischmeier) sont infiniment supérieures avec des écarts de l’érosion entre les deux échelles, de 60 pour les pertes en terre et de 30 pour le ruissellement. Les études morpho-pédologique et hydrodynamique donnent une bonne explication des processus pédogénétiques et érosifs qui se manifestent dans ces systèmes : une forte disparité liée à la dense occupation du sol dans les zones les plus fertiles notamment dans la concavité des pentes occupées surtout par une bananeraie dense et la colocase. Cette disparité se traduit en i) un enrichissement à l’aval aux dépens d’un appauvrissement et d’une dégradation en amont et ii) une inversion des vitesse d’infiltration entre l’amont et l’aval en passant par un optimum à mi-parcours. Les variations topographiques et la diversité/densité du couvert biologique concourent ainsi concomittament sur le fonctionnement écosystémique des deux bassins versants en redistribuant les ruissellements, les éléments solides et les nutriments à l’intérieur même de leur périmètre.

Between 1977 and 1985, the French cooperation has funded research on soil erosion led by a francoburundi team from the Burundi Institute of Agronomic Sciences (ISABU). Five stations made of Wischmeier plots were established in different agrarian and landscaping situations representative of the country. Follow up of the experimentation over several years, revealed that all the studied soils had a good to very good resistance to erosion (K fluctuating between 0,003 and 0,15). Their behavior with regard to erosion varies with their porosity, their structural and physicochemical properties : detachability and aggregates drifting are rather characteristic of lateritic clayish soils developing on schist of central Mumirwa (Congo-Nil ridge), while chemical, structural and porous degradation through progressive dilution of organic matter and selective transfers of base cations (Ca2+) characterize eutrophic brown soils or on the track of ferrallitisation developed on the volcano sedimentary series of the Moso eastern depression.
In cropping condition with organic amendment, base cations Ca
2 + and Mg2+ leaching is much more rapid and intense in acidic condition and is symptomatic of an accelerated fertility degradation with desaturation of the absorbing complex, and inversely an increase in acidity and in exchangeable aluminum. In the case of the eutrophic clay soils of Moso, soil nutrients dissolution, proportionately more important than in lateritic soils, is alarming only in terms of organic matter (from 15 to 30 % higher than the soil in place) and even more in terms of phosphorus. This selectivity, acting mainly on fertile elements in the soil, is a real constraint to maintain productivity.
The results observed on two experimental 4 and 6,5 ha micro-basins of Central Mumiwa show that field losses (on Wischmeier plots) are much greater with differences in erosion between the two scales, 60 for losses in soil and 30 for run-off. Morpho-pedagogic and hydrodynamic studies give a good explanation of the pedogenetic and erosive process taking place in those systems : a high disparity related to the dense occupation of the land in the most fertile areas mainly in the concave slops occupied mainly by dense Banana and taro crops. This disparity is translated into : i) an enrichment downstream to the expenses of an impoverishment and degradation upstream and ii) a reversal of infiltration rates between upstream and downstream through an optimum at mid-way. Topographic variations and diversity/biological cover density contribute to the functioning of both watersheds by redistributing water run-off, solid elements and nutrient inside their own perimeter.

Texte intégral

Introduction

1Classiquement, l’érosion est assimilée à un décapage plus ou moins rapide et irréversible des versants par le ruissellement qui contribue à une baisse de la fertilité des terres par épuisement progressif des richesses minérales et organiques. De même, on détermine son origine dans la modification de la structure du sol sous l'effet de l'énergie cinétique des chutes des gouttes de pluie et des façons En élargissant la définition de l'érosion hydrique à toutes les variables qui influent, dans les temps et dans l'espace, plus ou moins directement sur le processus, c'est l'analyse de tout un système complexe qu'il faudrait étudier et qu'il serait bien entendu impossible de cerner de manière exhaustive.

  • 1 Travaux de la mission Forestière Crête Congo-Nil basée au Département des Forêts entre 1977 et 1984 (...)

2Dans le cas qui nous intéresse, nous nous proposons d'analyser de plus près les principaux facteurs du milieu physique qui sont considérés comme les causes premières du déséquilibre du système avec son milieu et qui contribuent au transport accéléré de la terre sur les versants escarpés et au ruissellement excessif. Des travaux de recherche ont été ainsi menés de 1977 à 19951 sur plusieurs sites de références du Burundi. Les différents processus d'érosion observés dans le contexte montagneux du pays et l'analyse de leur évolution selon les sources d'énergie et les facteurs qui modifient leur expression s'appuient des résultats expérimentaux sur parcelles Wischmeier et sur deux micro bassins.

1. Méthodologie

3* Le modèle Wischmeier : WISCHMEIER et SMITH ont mis en évidence l’action des différents facteurs qui jouent un rôle dans l’érosion par la formule qu’ils ont proposée et qui sert de référence internationale (« Universal loss equation ») :

A = R × K × SL × C × P

4A : les pertes en terre exprimées en tonnes par ha d’une parcelle expérimentale durant un épisode pluvieux ou sur une année. Mesurées sur deux 2 échantillons de boue de 1 litre après passage à l’étuve = 90° C).

5R : l’indice d’érosivité des pluies. Il correspond à l’énergie cinétique de pluies que multiplie I30 (intensité maximale des pluies durant 30 minutes exprimée en mm/h).

6K : le facteur de sensibilité du sol à l’érosion => facteur d’érodibilité. Il est fonction des propriétés intrinsèques du sol notamment des matières organiques, de la texture, (cf. figure de KUNTZE), de la perméabilité et de la structure de l’horizon. Il s’échelonne de 0,7 pour les sols les plus fragiles (les limons silteux) à 0,001 pour les sols les plus stables. Le protocole de WISCHMEIER le mesure sur des parcelles nues de référence de 22,2 m de long et des pentes de 9 %. Le sol, travaillé dans le sens de la pente, ne doit plus recevoir de matières organiques depuis trois ans.

  • 2 Le facteur SL se calcule aussi à partir de l’équation de WISCHMEIER :L/100 (0,76 + 0,53 S + 0,0076 (...)

7SL : le facteur topographique, S traduisant l’angle d’inclinaison de la pente (en %) et L, la longueur de pente en pieds (1m = 3,2809 pieds). Les abaques établies selon le pricinpe de l’Unicersal loss equation (WISCHMEIER et SMITH, 1978) permettent de calculer le facteur topographique qui varie de 0,1 à 5 dans les situations de pente faible et qui peut atteindre plus de 25 dans les conditions de fortes pentes des montagnes du Burundi2.

8C : le couvert végétal. Il inclue le niveau de production et les techniques culturales qui y sont associées. C’est une facteur frein plus ou moins efficace à l’énergie des gouttes de pluies suivant la mise en valeur du sol. Une végétation permanente (prairie ou forêt) ne découvrant le sol à aucun moment est nettement préférable à une agriculture plus exposée laissant le sol dénudé pendant une longue période. Il correspond au rapport entre l’érosion observée sur la parcelle cultivée ou forestée et l’érosion enregistrée sur sol nu. Il s’échelonne de 1 sur sol nu et 0,001 sous forêt ombrophile.

9P : l’indice qui rend compte de l’efficacité des pratiques purement anti-érosives (buttage continu, haie herbacée…). C’est un facteur frein au ruissellement. Il correspond au rapport entre l’érosion d’une parcelle cultivée et celle d’une parcelle d’une même culture aménagée. L’indice varie de 1 sur parcelle non aménagée à  en conditions anti-érosives très efficaces (paillage épais par exemple).

10* Les limites du protocole Wischmeier : Ce protocole s’applique à l’érosion en nappe et au ruissellement linéaire qui prend naissance dans la parcelle expérimentale en se limitant exclusivement à son espace. Il exclut donc tous les écoulements venant de l’amont. En outre, ce modèle a été testé, expérimenté et vérifié dans des paysages de pente modérée des plaines américaines ; il n’est donc pas adapté au relief de montagne du Burundi où les pentes moyennes sont parfois proches de 40 % et les sources de ruissellement plus fortes que les pluies. Enfin ce modèle ne donne que des données indicatives sur le volume ruisselé et les pertes en terre. Ces données ne devraient être statistiquement valables qu’après une succession de mesures sur une dizaine l’années, voire même sur 20 années. A l’échelle de l’averse, leur interprétation est plus qualitative que quantitative du fait de l’interaction de nombreux paramètres qu’il est difficile d’apprécier et de meesurer suret de mesurer sur le terrain. Précisions également que les sources d’erreur à l’achantillonnage nous laissent une marge d’erreur de ± 15 % sur le résultat final du calcul des pertes en terre et des taux de ruissellement (DUCHAUFOUR et al, 1991). Cette incertitude repose essentiellement sur l’imprécision des hauteurs d’eau et de boue mesurées dans les cuves et sur l’homogénéisation de la collecte des prélèvement de boue qui permet de mesurer la masse de terre sèche contenue dans un litre. Toutes les données cumulées sur plus d’une quinzaine d’années de mesures à l’Institut des Sciences Agronomiques du Burundi (ISABU) de 1975 à 1995, apportent néanmoins des renseignements intéressants sur les processus d’érosion en nappe et linéaire à l’échelle de la parcelle paysanne. Les résultats que nous avançons, peuvent même être inférieurs à la réalité puisqu’ils ne tiennent pas compte de l’action érosive des arrivées d’eaux sus-jacentes.

11* Evaluation qualitative des pertes en terre : Pour avoir un ordre de grandeur sur la sélectivité des éléments transportés par ruissellement, nous avons procédé à des prélèvements systématiques des boues afin de comparer leurs propriétés physicochimiques avec celles des sols en place.

2. Contexte : Définition des pédopaysages et de leur représentativité

12La méthodologie du protocole de WISCHMEIER et SMITH, délicate et onéreuse, ne pouvait être étendue l’ensemble des régions naturelles du pays. Il nous importait donc de choisir les sites qui représentaient le mieux les conditions de sols et de relief du territoire. La région du Mumirwa de la crête Congo-Nil fortement exposée à l’érosion hydrique tout en étant proche de Bujumbura (facilité du suivi) représentait le lieu de prédilection pour le suivi expérimental de parcelles en assez grand nombre. En complément aux études menées sur parcelles Wischmeier, deux bassins versants élémentaires situés dans l’escarpement à bananier du Mumirwa central ont été équipés d’un déversoir à l’aval pour étudier leur fonctionnement hydraulique (études et suivis réalisés conjointement avec le. Projet Suisse d’Appui aux Développement des Communes de Mubimbi, Kanyosha et Isale - PADC).

Figure 1 : Situation des 5 stations de mesures sur parcelles Wischmeier suivi par l’ISABU

13Rushubi I (figure 1, altitude 1750 m) : caractérise les zones de crêtes gréso-quartzitiques acidentées d’altitude. Les sols, de type ferralsols humifères (> 2 % de C org et 84 % de sable moyens et grossiers), sont de nature sablo-caillouteuse avec une charge de cailloux pouvant atteindre plus de 60 % dès 30 cm). Leur profondeur est variable et ils sont très acides (pH 4,5). La CEC = 5-6 méq/100g de terre est totalement désaturée en cations basiques (< 10 %) mais saturée en aluminium échangeable (Al3 +L 80 - 90 % de la CEC). Ce pédopaysage constitue les milieux de faible productivité des sommets quartzitiques qui sont largement répandus dans les massifs montagneux de l’intérieur du pays et réservés en général aux parcours ou aux boisements. Les conditions les plus aptes, essentiellement régies par la profondeur du sol, sont toutefois utilisées par l’agriculture

14Rushubi II (figure 1) : A proximité de la précédente, à 1650 m d’altitude, cette station particularise les sols argileux des collines ferrallitiques en « demi-orange » de la région du Mumirwa de la crête Congo-Nil fortement exposée à l’érosion hydrique. Les pentes, quoique fortes, sont régulières et ininterrompues ; elles caractérisent les versants profondément altérés des schistes micacés intrudés de roches basiques (facies schisto-basique), des granites et parfois des gneiss en altitude. Ces derniers sont fréquemment traversés par des filons de pegmatite ou de quartz de taille métrique et décamétrique très peu altérables qui enrichissent les sols de bandes de cailloux (discontinues (« stone line »). C’est un des facies les plus fréquents du pays. Il représente la majorité des sols cultivés des plateaux centraux et de l’escarpement du Mumirwa. La station expérimentale de Rushubi II caractérise ces pédopaysages à bon potentiel agricole des collines ferrallitiques représentés par des ferralsols-ferrisols argileux généralement humiques (Corg > 1,16 % sur 10 cm ou > 0,59 % sur 20 cm ou plus) et à acidité modérée (pH ≈ 5 - 5,5). Leur CEC est relativement élevée (12-16 méq/100g de terre), plus ou moins saturée selon les conditions d’exploitation agricole. La détoxification complète de l’aluminium ne se produit qu’en régime intensif et continu de fumure organique ou mieux encore, par des amendements organique et calcaire.

15La pluviométrie annuelle moyenne (Han) de la station Rushubi II est de 1 692 mm et l’agressivité annuelle moyenne (Ran) de 550 (Rapports annuels PRPE/ISABU). Les deux stations de Rushubi I et II sont représentatives de la géologie, de l’occupation des sols et des formes d’érosion observées dans la région du bassin d’Isale (cf le bloc diagramme du Mumirwa central en annexe I)

16Kanyosha (altitude : 1160 m) : Ce troisième site se distingue des précédents par le fait qu’il est représentatif des versants abrupts rajeunis par l’érosion des contreforts gneissiques du Mumirwa central. Les sols se définissent par leur minceur et leur petite capacité de productivité concentrée dans la couche arable superficielle. Leur fertilité est bien souvent médiocre voire nulle lorsque la couche humifère a disparu. Il s’agit de sols récents, constamment rajeunis par l’érosion, développés sur pentes fortes (> 60 %) représentés majoritairement par le complexe d’association de lithosols, régosols lithiques, régosols et sols d’altération récente ± eutrophes (pH = 5,0 - 6,0 ; CEC 5-10 méq/100g de terre et Corg = 0,5 - 1 % sur 10 à 20 cm au plus). Ces versants gneissiques sont souvent traversés par des filons basiques de gabbro et de dolérite ; dans ce cas, les sols sont plus profonds et fertiles (sols bruns tropicaux eutrophes) et marqués dans le paysage par un adoucissement du relief. Nous le dénommerons le pédopaysage des versants abrupts de KANYOSHA (figure 1).

17La pluviométrie annuelle moyenne (Han) de la station est de 1150 mm et l’agressivité annuelle moyenne (Ran) de 280 (Rapports annuels PRPE/ISABU).

18Muzinda : Les sols évoluant sur les séries des quartzophyllades de la station de Muzinda (altitude 1250 m, pluviométrie moyenne annuelle de 1350 mm) présentent des similitudes avec la station de Rushubi I (ferralsols humifères). Ils évoluent sur des pentes de collines au relief plus atténué (entre 20 et 30 % de pente en moyenne), situées sur le contrefort occidental du Mumirwa central. Leur texture sablo-argileuse se développe sur de plus grande profondeur ce qui leur confère un potentiel agricole supérieur. Les potentialités agraires du pédopaysage de MUZINDA (figure 1) se situeraient entre celles de Rushubi I et II.

  • 3 L’une des époques précambriennes (650 à 1100 millions d’années) représentée en Burundi

19Moso : Ce dernier site dépeint un paysage particulier de la plaine du Moso (altitude 1350 m), personnalisé par les ravinements spectaculaires qui dénudent et entaillent les collines de la région de Bukemba-Gihofi C’est un facies unique au Burundi issu des laves amygdaloïdes de la série du Kabuye du Moso (basalte ancien du Malagarasien3). Les sols sont en voie de ferrallitisation mais leur potentiel agronomique est encore très satisfaisant et supérieur aux autres sols des pédopaysages précédents. Leur fragilité toute particulière au ravinement nous a amenés à nous y intéresser davantage. Nous l’appellerons le pédopaysage des collines basaltiques du Moso (figure 1) caractérisé par des ferrisols humiques eutrophes et des sols bruns kaolinitiques humiques intergrade ferrisols eutrophes à argile lourde (80 à 87 %), de type 2/1 pour une partie (CECargile quelque fois ≥ 16 méq/100g de terre et CEC oscillant entre 12 et 21 méq/100g de terre, saturée en ions Ca2+ et Mg2+). Aucune analyse structurale et mécanique n’a été réalisée. L’interprétation de l’ampleur du phénomène de ravinement n’a pas été élucidée. C’est un processus encore très actif de nos jours et qui date depuis des décennies. WALEFFE signalait déjà en 1965, dans son étude géologique du Sud-Est du Burundi, la présence de bad-lands sur schiste calcaire et de ravins de 15 à 20 m de profondeur sur les collines basaltiques de Bukemba, ce qui n’est guère différent aux profondeurs actuelles.

20La pluviométrie annuelle moyenne (Han) de la station est de 1 290 mm et l’agressivité annuelle moyenne (Ran) de 450 (Rapports annuels PRPE/ISABU).

3. Résultats

3.1 Données sur parcelles Wischmeier

3.1.1 Le protocole WISCHMEIER détermine une faible érodibilité des sols

21La détermination du facteur K (tableau 1 et figure 2) des principaux pédopaysages burundais indique une bonne à très bonne résistance à l’érosion.

Pédo-paysage et pente expérimentale en %

Nombre d’années expérimentales

Agressivité annuelle moyenne (RAM)

Pertes en terre annuelles moyennes en T/ha (A)

Ruissellement annuel moyen en % (KRAM )

Coefficient d’érodibilité annuel moyen

(KAM)

RUSHUBI I (45 – 50 %)

6

466

429

5,2

0,035

RUSHUBI II (27 %)

7

530

693

10,8

0,10

MUZINDA (35 %)

2

> 130 (*)

445

5,6

0,15± 0,02

KANYOSHA (57 – 75 %)

1

200

636

33,1

0,06

MOSO (25 %)

3

360

57

2,1

0,015

(*).La première année de mesure n’a démarrée qu’à partir du mois de novembre de la campagne 84 – 85

Tableau 1 et Figure 2 : Valeur moyennes des coefficients d’érodibilité. Kam et des coefficient de ruissellement KRam en % des différents pédopaysages burundais

22Les valeurs obtenues sont semblables à celles observées en Afrique sur sols ferrallitiques (ROOSE et SARRAILH, 1989) :

  • Sols ferrallitiques issus de schiste et granite : K = 0,15 à 0,18

  • Sols ferrallitiques issus de schiste micacé (Rushubi II) : K = 0,075 à 0,13

  • Sols ferrallitiques sableux avec charge caillouteuse ou gravillonnaire au sein du profil : K = 0,01 à 0,05

  • Sols ferralitiques sablo-caillouteux sur quartzite (Rushubi I) : K = 0,02 à 0,065

  • Sols ferrallitiques sablo-argileux : K = 0,12

  • Sols ferrallitiques sablo-argileux issus de schiste arénacé (Muzinda) : K = 0,15 ± 0,02

23Comme ces auteurs l’ont déjà constaté, les mesures directes de l’érodibilité d’un sol (K) sur des parcelles standards universelles reflètent les effets combinés de toutes les propriétés qui influencent significativement la facilité avec laquelle un sol particulier est érodé par la pluie (battance) et le ruissellement (rigole) s’il n’est pas couvert. K varie ainsi suivant les propriétés qualitatives et quantitatives du sol, notamment le taux de matière organique (1) la texture du sol (2) (en particulier les sables de 50 à 500µ ou la présence d’éléments grossiers) et la teneur en alumine et fer libre qui joue significativement sur la cohésion de la structure du sol (3) (DUCHAUFOUR Ph., 1991 ; SINGER et al, 1980, cité par ROOSE, 1994). La perméabilité (4), bonne à très bonne pour chacun de ces sols, ne devrait pas intervenir beaucoup dans leur différenciation.

3.1.2 Les principaux paramètres du sol qui interfèrent sur l’érodibilité des sols (Observation des mécanismes sur les parcelles nues de Rushubi I et II et du Moso)

24En tenant compte de la classification de BOLLINE et ROUSSEAU (1978) et des critères de différenciation des pédopaysages, nous observons un comportement moyen pour différents états de surface et d’humidité et pour toute une gamme d’averses caractéristiques de la région (figures 2 et 3 + tableau 1).

25La figure 3 fait allusion au caractère évolutif du coefficient K au cours du temps en fonction de l’humidité dusol, des variations de sa rugosité et de la vitesse de décomposition des matières organiques.

Figure 3 : Les variations du coeficient d’érobilité.K en fonction des paramètres des sols

26Dans le cas des sols à forte pierrosité de Rushubi I, la présence de 10 % de cailloux réduit l’érodibilité de 15 %, celle-ci diminuant fortement au delà de 40 % de charge (DUMAS, 1965 ; POESEN, 1990 ; ROOSE, 1994). L’indice décroît de 40 % en trois ans au fur et à mesure du dégagement de la pierrosité en surface alors que le taux de ruissellement annuel reste identique entre 5,5 et 7 %. La position du caillou dans le sol a donc un effet ambivalent sur l’infiltration et sur la génération du ruissellement. Pour un même pourcentage, les cailloux bien incorporés dans la couche superficielle encroûtée diminuent la vitesse d’infiltration et accélèrent le ruissellement. L’énergie cinétique de l’eau ruisselée, brisée par la forte charge caillouteuse de surface, est cependant insuffisante pour transporter de grosses quantités de terre (cf diagramme de Kuntze de la figure 4).

Figure 4 : Variation de l’indice de sensibilité K des sols en fonction de leur propriété organo - minérale (Kuntze et al, 1988)

27Pour les sols ferrallitiques argileux à limono-argileux à bonne stabilité structurale de Rushubi II, le mécanisme évolue différemment. Durant les deux premières années, les matières organiques se dégradent progressivement et affectent la stabilité de la structure en surface. Les valeurs de K deviennent maximales en fin de deuxième année pour se stabiliser ensuite de manière relativement proportionnelle au taux de ruissellement enregistré. Une forte diminution de l’indice se fait ressentir une fois l’horizon humifère décapé qui laisse apparaître la. structure plus grossière sous-jacent et l’apparition d’un horizon plus cohérent et compacte. La détachabilité des agrégats de ces sols et leur charriage sont donc dépendants de l’énergie de l’eau ruisselée et de la cinétique de biodégradation de la matière organique. La teneur chimique des boues s’apparente à celle de la parcelle ; ce sont en général les propriétés intrinsèques des agrégats qui y sont mesurées. Dans l’analyse des boues, nous n’abons pas distingué de réelles concentrations issues d’une érosion sélective. Leur composition organo-minérale s’apparente à celle du sol initial.

28Le cas est légèrement différent pour les sols très argileux des matériaux volcaniques du Moso. L’augmentation non négligeable d’une année à l’autre de l’indice d’érodibilité s’est faite absolument indépendamment du taux de ruissellement qui est resté constant. Même s’il s’agit de chiffres qui peuvent être sujets à des erreurs relatives, l’indice a tout de même décuplé en trois ans. Cet accroissement est fort probablement lié à une lente et progressive dégradation chimique du sol qui le fragilise de plus en plus à l’érosion. La très faible érodibilité des deux premières années s’explique par l’existence de bonnes propriétés organo-minérales du milieu et la présence d’un réseau racinaire primitif insuffisamment décomposé. Il s’agit, en premier temps, un simple processus mécanique au cours duquel le détachement et le transport solide se font au gré des variations de la résistance du sol et des concentrations de ruissellement. Une fois les fibres végétales décomposées, les matières organiques se diluent. Le pH et la concentration organique des boues deviennent sensiblement plus élevés que les teneurs organiques des parcelles respectives. Cette augmentation s’observe également au niveau du Ca2+ et de la capacité d’échange cationique. Sans avoir tous les éléments en notre possession (résultats analytiques en série sur 10 années d’observation au moins et étude de l’évolution régulière des propriétés physiques et mécaniques de l’horizon de surface), nous pouvons néanmoins supposer qu’une dégradation physico-chimique affecte les propriétés organo-minérales au fil des années par une décalcification lente et progressive dans laquelle des ions Ca2+ et une certaine forme de matière organique agglomérés en complexe organo-métallique de type humo-calcique seraient entraînés sous forme de micelles < 2 µ par dilution et ruissellement (DUCHAUFOUR, 1995). Nous pouvons émettre aussi l’hypothèse qu’une destructuration de la surface croît au fur et à mesure que cette dégradation affecte les agents de liaison des agrégats. En outre, les argiles gonflantes favoriseraient la fermeture de la porosité de surface et le ruissellement en nappe qui lui même est plus sélectif vis-à-vis de la mise en solution des éléments nutritifs.

3.1.3 Propriétés physico-chimiques des matériaux solides charriés et analyses des processus de sélectivité (Observation des mécanismes sur les parcelles cultivées de Rushubi II et du Moso)

29Pour avoir un ordre de grandeur sur la sélectivité des éléments transportés par ruissellement, nous avons comparé le pédopaysage de Rushubi II qui représente la majorité des sols cultivés du milieu rural à celui du Moso, dont la fertilité est supérieure. Nous formulons l’hypothèse que les résultats sont extrapolables aux sols argileux acides de type ferralsol naturellement pauvres en cations basiques de Rushubi II et aux sols argileux eutrophes de type ferrisol, naturellement riches en ces mêmes cations du Moso et aux sols récents superficiels acides de type régosol développés sur pentes très fortes, particulièrement pauvres en matière organique (Kanyosha).

  • 4 Indice de KAMPRATH (Ik.) = Al3 + /Sommes des bases + H+ + Al3+ . Plus l’indice est élevé, plus la t (...)

30Le sol de la parcelle WISCHMEIER de Rushubi II (parcelle 18) est un ferralsol typique fortement acide qui n’a reçu aucun apport organique avant et durant toute la période de l’essai. La capacité d’échange est totalement désaturée et la toxicité aluminique très forte. A l’inverse, la parcelle cultivée (parcelle 16) a reçu en octobre 1990 une quantité importante de fumier bovin (110 T/ha). Ce redressement organique était absolument nécessaire après 4 années de cultures consécutives sans apport. Les analyses réalisées après fertilisation révèle que le sol est moins acide, possède une bonne teneur en phosphore et azote et une capacité d’échange cationique saturée entre 20 et 40 %. De Plus, la détoxification de l’aluminium échangeable par la matière organique fraîche apparaît efficace au moins pendant les deux premières années de la rotation puisque l’indice de KAMPRATH est < 30 %4.

31Le manioc (septembre 90 à juin 92), cultivé sur billon isohypse et légèrement paillé de déchets de labour, profitant pleinement de cette fertilisation, a enregistré des pertes en terre insignifiantes (moins de 3 T/ha). La baisse progressive de fertilité que nous observons entre mars et septembre 91 (figure 5) n’est pas liée au transport de matériaux solides mais à l’exportation des fertilisants par la culture et à leur lessivage. Ces sols ont donc une capacité d’épuisement très rapide et demandent à être entretenus régulièrement par des apports de matières organiques fraîches préalablement compostées. Lorsque les pertes en terre sont très fortes, comme cela a été le cas par la suite avec la campagne du maïs et du haricot (156 T/ha), les baisses de fertilité n’ont pas été significativement plus élevées. La baisse, toujours progressive, est atténuée par rapport à la campagne précédente.

Figure 5 : Evolution de la sélectivité en nutriments des terres érodées sur parcelle cultivée entre 1990 et 1994 (rotation Manioc-Manioc-Maïs-Haricot-Jachère cultivé sur billon isohypse et légèrement paillé de déchets de labour)

32Une des explications relève de la forte minéralisation du fumier en première année qui libère des nutriments en abondance. Ils sont en grande partie assimilés par le manioc qui voit sa production tripler comparativement à une situation non fertilisée. Les récoltes des campagnes 85-87 et 87-89 ont donné une moyenne de 11,5 T/ha et la campagne 90-92 avec fumure, une moyenne de 35 T/ha.

33Nous pouvons supposer qu’une autre partie est mise en solution puis lessivée par les eaux gravitaires et les écoulements hypodermiques du sol. Nous verrons dans le § 3.2.2 que le lessivage interne par drainage latéral ou vertical, mesurée qualitativement sur percolat, n’est effectivement pas négligeable. Une fois que les « excédents minéraux » ont été exportés d’une manière ou d’une autre, les quantités restantes sont retenues sur le complexe d’échange et libérées en fonction des besoins de la végétation.

34Les matériaux charriés ont pour ainsi dire les mêmes propriétés que les colloïdes (cf. indice de sélectivité du tableau 2). Les éléments migrent surtout sous forme solide (terre de fond et suspension). Cela confirme ce que nous avons observé pour un sol argileux, à savoir que le ruissellement, essentiellement de type linéaire, évolue proportionnellement à l’indice d’érodibilité en détachant et transportant les agrégats. La sélectivité observée concerne les cations dont la migration se fait également en solution. Les éléments calco-magnésiens évoluent de manière proportionnelle à la minéralisation des matières organiques humifiées. Ce processus entraîne une désaturation du complexe absorbant par élimination plus rapide des deux principaux cations basiques, Ca2+ et Mg2+ et une augmentation de l’acidité. d’échange (H+ et Al3+) consécutive à la diminution de l’effet neutralisant du Ca2+ Ce résultat est la logique d’un lessivage des cations basiques plus intense en condition acide. Les précipitations tropicales abondantes et à haute température provoquent une rapide minéralisation des matières organiques peu évoluées, une dissociation des complexes humo-calciques et le lessivage des cations calco-magnésiens. Le potassium, ion moins mobile, semble au contraire. être plus stable à l’égard du transport solide et en solution.

35Si on compare la qualité des terres érodées et des eaux ruisselées recueillies à l’aval de la parcelle WISCHMEIER au sol en place sur ces 10 premiers cm (tableau 2), on en tire des conclusions identiques. La croissance des pertes chimiques est presque parallèle à celle des pertes en terre. Elle est donc fonction inverse du couvert végétal. Nous constatons aussi que les concentrations en éléments nutritifs ont tendance à baisser lorsque l’érosion croît et le sol est plus appauvri (exemple de Kanyosha) mais les teneurs décroissent moins vite que n’augmentent les volumes de terre et d’eau.

36

Tableau 2 : Pertes sélectives en nutriments sur les deux sites de Rushubi II et du Moso durant la campagne 90-93

Tableau 2 : Pertes sélectives en nutriments sur les deux sites de Rushubi II et du Moso durant la campagne 90-93

* Rushubi II : Moyenne des pertes sur une rotation Manioc-Manioc-Maïs-Haricot avec forte fumure de fumier bovin en tête de rotation : pertes manioc (90-92) = 1,5 T/ha/an ; pertes maïs-haricot (92-93) = 156 T/ha moyenne de 53 T/ha/an
Moso : Moyenne des pertes sur une rotation Manioc-Manioc-Maïs-Jachère : pertes manioc (90-92) = 10,3 T/ha/an ; pertes maïs-jachère (92-93) = 8,8 T/ha moyenne de 9,8 T/ha/an
** Calculé par rapport à 10 cm de sol (densité apparente = 1,15 pour Rushubi II et 1,24 pour le Moso)

37Remarque : 1 meq Ca2 + /100 gr. = 20,04 mg de Ca2 + /100 gr. = 28 mg de CaO/100 gr.

381 meq de Mg2 + /100gr. = 12,154 mg de Mg2 + /100 gr. = 20 mg de MgO/100 gr.

391 meq de K+ /100gr. = 39,103 mg de K+/100 gr. = 47 mg de K 2O/100 gr.

40Au Moso, les pertes sont proportionnellement plus riches en éléments nutritifs que le sol en place, ce qui le distingue absolument des terres acides du pédopaysage de Rushubi II. C’est net pour le carbone, l’azote, le calcium et encore plus pour le phosphore sous culture. L’érosion au Moso est donc plus sélective vis-à-vis des nutriments probablement parce que le ruissellement en nappe est le processus dominant sur un tel sol où la présence d’argile 2/1 et les fortes teneurs en argile contribuent au colmatage des pores en surface. La concentration des pertes en cations assimilables : K+, Ca2+ et Mg2+ est respectivement 10, 15 et 30 fois supérieure à celle analysée dans les boues de Rushubi II. La mise en solution des fertilisants, manifestement plus importante au Moso qu’à Rushubi (et plus encore qu’à Kanyosha), est d’autant plus marquée que le volume érodé est faible. C’est aussi le cas lorsque l’on passe du sol nu à la culture.Ce constat ne permet pas d’expliquer le phénomène de ravinement observé dans ce pédo-paysage mais il n’est pas impossible qu’il y contribue en partie.

41En accord avec ROOSE (1994), cela s’explique de deux manières. Plus la compétence du ruissellement en nappe est faible, plus sa vitesse est ralentie par la rugosité de la surface du sol, des tiges et des racines découvertes et de la litière. L’érosion évacue en priorité les matières légères et son écoulement plus lent et aréolaire favorise la mise en solution des éléments fertilisants les plus solubles. A l’inverse, plus la vitesse de ruissellement croît, plus elle provient de rigoles de telle sorte que les terres décapées sont sélectivement moins enrichies.

42Les pertes pondérales en cations du sol du Moso n’ont rien de catastrophique, étant donné que les réserves apparaissent inépuisables. Il n’en est pas de même sur le plan de la matière organique (Corg et Norg) et du phosphore qui peuvent devenir rapidement déficients et constituer une contrainte préoccupante après quelques années de culture intensive sans restitution organo-minérale.C’est ce qui explique la mauvaise récolte de maïs en 93 (non mesurée car insignifiante) succédant à une excellente récolte de manioc (35,5 T/ha non écorcé). Quant au sol de Rushubi II, la démonstration des pertes par lixiviation, érosion et exportation par les cultures a été faite.

43Les analyses effectuées sur le site de Kanyosha montrent que sur de telles pentes, la vitesse et l’énergie du ruissellement linéaire charrient de préférence des matériaux plus grossiers et inertes. Ces matériaux sont d’autant plus riches en sables siliceux qu’ils sont pauvres en éléments nutritifs (indice de sélectivité moyen = 0,5-0,6 excepté pour le phosphore). Cette non sélectivité montre le déséquilibre accéléré du bilan des nutriments et des matières organiques au niveau du sol en place. Si les argiles ne sont pas, elles aussi, emportées de manière sélective, il n’en demeure pas moins qu’en régime d’érosion importante (> 50T/ha/an), ce milieu évolue rapidement vers une squelettisation par accumulation relative des particules grossières à la surface (cailloux et sables grossiers). Dans tous les cas, il importe de pratiquer régulièrement une fumure organo-minérale.

3.1.4 L’érosion linéaire est conditionnée en priorité par le facteur topographique

44D’autres facteurs, caractéristiques des paysages agraires burundais, ont une influence et une interaction complexe sur le comportement de sols vis-à-vis de l’érosion hydrique: il s’agit par ordre d’importance du facteur topographique, du couvert végétal et des averses exceptionnelles.

45L’effet longueuru et inclinaison de pente à l’échelle de la parcelle : L’importance de l’érosion est considérablement influencée par l’inclinaison de la pente. C’est un fait bien connu des agriculteurs burundais qui cherchent à dévier par n’importe quel moyen les écoulements parfois torrentiels qui laminent leurs champs fortement exposés.

46Son ampleur est caractéristique des versants gneissiques pentus du pédopaysage de Kanyosha constitués de sols récents de profondeur variable (10 à 80 cm au plus). Les ménages qui occupent ces sites cultivent le manioc sur un cycle de cinq années : travaux du sol et bouturages réalisés généralement en fin de saison des pluies, deux sarclages effectués dans les huit mois suivants, récolte échelonnée durant la deuxième et troisième année, puis abandon à la jachère les deux dernières années du cycle. C’est le facies « manioc en friche » défini par PAULTRE (1992).

47Les pentes ainsi cultivées peuvent atteindre pour les extrêmes 100 % (45°) ; c’est la limite supérieure cultivée observée dans le pays. Le découpage parcellaire en lanières est également typique des paysages de fortes pentes et leur allongement est d’autant plus marqué que la pente est forte. La longueur de pente, autre paramètre relié au facteur topographique, peut dépasser les longueurs normales du pays et atteindre ordinairement une quarantaine de mètres de long Le découpage des parcelles en lanières ressort en premier lieu d’une logique du travail du sol sur de telles pentes. Le labour de bas en haut en bande étroite est moins difficile ; il permet un retournement plus complet de la motte et facilite le rejet des pierres et des racines du chiendent de part et d’autre en alignements verticaux. Cela demande moins de travail à une époque en général surchargée (COCHET, 1993). En second lieu, le système d’héritage échelonné contribue aussi à sa manière au morcellement. Dans un souci d’équité, le partage se fera dans le sens de la longueur afin que les héritiers aient chacun une terre de fertilité équivalente (l’amont étant souvent plus érodé que l’aval en raison du creeping et du colluvionnement).

48Nos essais ont donc respecté à la fois l’itinéraire technique pratiqué par les agriculteurs et les conditions topographiques de ce pédopaysage. Deux années de mesure sur le site de Kanyosha ont permis d’identifier l’effet de l’inclinaison (40 % à 80 %) et de la longueur de pente (10, 20 et 20 mètres) sur l’érosion du manioc de 2ème année et de la première année de jachère.

Tableau 3 et figure 6 : Ruissellement et perte en terre annuels sur parcelle Wischmeier de différente inclinaison et productivité du manioc

Tableau 3 et figure 6 : Ruissellement et perte en terre annuels sur parcelle Wischmeier de différente inclinaison et productivité du manioc

(...) = première année de jachère ξ = petite perte non quantifiable

49La littérature scientifique rapporte que lorsque l’inclinaison de la pente augmente, l’énergie cinétique du ruissellement s’accélère et accroît le transport des matériaux. De nombreux auteurs ont montré en effet que les pertes en terre croissent de façon exponentielle avec l’inclinaison. En Afrique centrale, HUDSON et JACKSON (1959, in ROOSE, 1994) proposent une formule, E = K Sn où n varie entre 1,63 sur des rotations complètes (y compris prairies et jachères), 2,02 sur sols argileux et 2,17 sur sols sableux cultivés en maïs de façon intensive. Plus tard, HUDSON (1973) préconise un coefficient de 2 pour les conditions africaines en s’appuyant sur un plus grand nombre de résultats.

50Cela se confirme plus ou moins exactement sur les versants pentus du contrefort gneissique de la crête Congo-Nil (avec 1,75 < n < 1,89) où l’on observe plus d’érosion sur les parcelles cultivées les plus exposées (inclinaison > 60 %) à condition de tenir compte d’une longueur de pente supérieure à 20 m.

51Nos essais (tableau 3 et figure 6) montrent que les risques s’aggravent au fur et à mesure que la parcelle s’allonge, ce qui est un cas fréquent dans ce paysage rural. Les ruissellements et les pertes diminuent considérablement dès que la parcelle est laissée en jachère, mais néanmoins, sur ces mêmes parcelles allongées, nous avons encore enregistré plus de vingt tonnes de perte en terre avec pourtant moins de 3 % de ruissellement. L’effet longueur de pente influe donc manifestement sur l’accélération du ruissellement. Au-delà de 25-30 mètres d’écoulement sur une pente de plus de 50-55 %, il prend une énergie suffisamment puissante pour charrier des matériaux solides que ce soit sous manioc ou jachère. Sur les pentes moins fortes (< 50 %), son énergie est stoppée par la végétation de la jachère. Ce n'est pas le cas avec le manioc.

52Il est également intéressant de relever que la quantité d’eau ruisselée n’est pas proportionnelle aux poids des pertes en terre, ni à la longueur, ni à l’intensité de la pente. L’énergie cinétique du ruissellement dépend ici plus de sa vitesse d’écoulement et de sa charge solide totale que du volume d’eau lui-même. Plus la pente est longue et forte, plus les volumes ruisselés ont tendance à se départager en deux catégories par le fait qu’une partie des volumes diminue en s’étalant dans un réseau d’écoulement plus vaste et mal hiérarchisé alors que l’autre, au contraire, s’organise au travers d’un réseau plus organisé et se concentre pour accroître son énergie C’est une situation paradoxale déjà observée par d’autres auteurs (LAL, 1976, ROOSE, 1967 à 1980, VALENTIN, 1978) dans laquelle les écoulements les plus faibles et les moins chargés ont des possibilités d’infiltration plus élevées car ils deviennent plus dépendants des propriétés hydrodynamiques du sol que de la pente elle-même. Quant aux écoulements les plus concentrés, même si leur volume en eau est peu important, leur énergie s’amplifie avec la pente pour creuser, arracher et briser les agrégats et les transporter hors de la parcelle. En général, lorsque la pente change, les formes d’érosion change. Dans certaines conditions de sol aux structures fragiles et fines, les pentes faibles peuvent occasionner de très forts taux de ruissellement et de faibles pertes après que les effets splash et les premiers ruissellements en nappe ont colmaté les pores de surface. En revanche, sur pente forte, la rugosité des sols est plus durable (effet du labour ou du binage) et les phénomènes d’encroûtement plus exceptionnels. Tout laisse à penser que la surface porale est plus importante et permet une plus grande infiltration sauf lorsque la pente hydraulique excède un seuil. Dans ce cas, les ruissellements se concentrent, charrient de la terre et accroissent l’érosivité (E =1/2 MV2).

53Dans la région des contreforts du Mumirwa, nous pouvons confirmer qu’il existe des seuils d’inclinaison et de longueur de pente en dessous desquels la croissance de l’érosion (intraparcellaire) est faible ou Nulle, même si les volumes d’eau ruisselée sont élevés et au-dessus desquels l’érosion s’accélèrent brusquement. On constate par exemple, les particularités suivantes :

  • Peu ou pas de risque d’érosion si la parcelle cultivée est inférieure à 10-12 m de long, même en condition de pentes extrêmes. Un simple obstacle tous les dix mètres suffirait donc à empêcher tout transport de charges solides. Nos études ont en effet montré qu’une simple rangée d’herbe fixatrice réduit considérablement l’érosion de matière solide des parcelles allongées dans le sens de la pente.

  • Pas ou peu de risque si la pente n’excède pas un seuil de 50 % et la parcelle 20 mètres de long. On peut considérer qu’il s’agit du seuil topographique optimal toléré Au-delà les risques s’accroissent brusquement

  • Les longues parcelles continues sur pente excédant 50 % entraînent systématiquement un transport solide.

54En se référant à certains auteurs (WISCHMEIER et al, 1958 ; WISCHMEIER, 1966 ; HUDSON, 1957-1973 ; ZING,1940), nous admettrons aussi que l’érosion et la longueur de pente peuvent plus varier d’une année à l’autre que d’un site à l’autre et que l’influence de la longueur sur le ruissellement est encore moins nette car elle est fonction de l’humidité préalable et de l’état de surface du sol.

  • 5 La densité apparente moyenne des matériaux transportés est de 2 et celle de l'horizon de surface 1, (...)

55Sur les bases de nos mesures et à titre d’exemple, les 120 tonnes mesurées sur la parcelle de manioc de 40 m de long correspondent à un décapage de 7,5 mm de l’horizon de surface ce qui est considérable pour le type de sol considéré5. A ce rythme, les dix à vingt cm de la couche arable de ces versants disparaîtront entre 13 et 25 ans s’ils sont cultivés en continu (rotation du manioc sur lui-même sans jachère). Cette même parcelle laissée en jachère enregistre 21,4 tonnes de perte soit encore un décapage de 1,5 mm. Dans le système du « manioc en friche », chacune des rotations quinquennales contribue à un décapage moyen de 2 cm de sol. La durée de vie de l’horizon organique est alors d’un demi-siècle seulement, ce qui est tout de même deux à quatre fois moins important qu’en régime intensif. Ce bilan ne tient pas compte de la baisse progressive de la fertilité du sol dont l’effet agit de plus en plus sur la diminution du couvert végétal due aux carences hydriques et minérales. Ce système de culture pratiqué est donc en partie adapté aux conditions extrêmes de ce pédopaysage, mais le rythme d’érosion observée nécessite qu’il soit amélioré d’urgence. Nous devons nous poser aussi la question de sa rentabilité au regard des productions très médiocres de manioc relevées sur nos essais (5,8 T/ha) Il s’agit plus d’une nécessité pour la famille paysanne que d’accumuler des surplus sur des terres « dites » marginales.

3.2 Données sur bassins versants élémentaires

3.2.1 Des processus d’érosion et d’accumulation complexes conditionnés par la morphologie du terrain

56Nous venons d'analyser le comportement de l'érosion à l'échelle d'une parcelle, elle même quadrillée dans son contexte expérimental par des planches pour éviter toutes contaminations de l'amont. Mais qu'en advient-il lorsqu'il s'agit, à l'échelle d'un bassin versant élémentaire, de pentes dépassant 50, voire 100 mètres de longueur avec des variations dans sa morphologie et une hétérogénéité du milieu ?

57Il est difficile d'estimer l'influence des formes d'un versant sur les processus d'érosion. Les multiples "visages" du paysage combinés avec les variations qualitatives des sols (rugosité et perméabilité) sont soumis à des phénomènes hydrologiques qui leur sont propres. En règle générale, la présence des pentes concaves et de replats de versant sont le lieu de colluvionnements sédimentaires et de piégeages de nutriments. Au contraire, la convexité et la régularité des pentes auxquelles il faut ajouter l'inclinaison sont des facteurs qui interagissent sur l'érosion. Des zones de décapage préférentiel et de ravinement (ou de glissements) coïncident avec les sites où plusieurs paramètres de milieu (texture et structure sensibles à l'érosion, plans de glissement ou discontinuités structurales et porales avec inversion des caractéristiques hydrodynamiques, ...) interfèrent entre eux et accentuent les risques d'érosion. Cela revient donc à dire que la position dans la toposéquence est souvent plus importante pour l'érosion que le seul fait de l'inclinaison et de la longueur de pente ou du ruissellement. Nos études menées sur les deux petits bassins versants élémentaires le confirment tout à fait.

58Ces deux bassins versants de 4 et 6,5 ha, situés dans l'escarpement à bananier du Mumirwa central sont représentatifs du pédopaysage de Rushubi II (facies des collines en « demi-orange » sur schiste pélitique de l'annexe 1). Les deux déversoirs avaient été proportionnés en fonction des résultats obtenus antérieurement sur les parcelles expérimentales de Rushubi II. C'était mal apprécier les mécanismes d'érosion et leur fonctionnement qui sont intimement liés à la diversité morphologique du paysage et à l'occupation du sol. Les résultats des pertes en terre et des ruissellements enregistrés sur plusieurs années ont en effet contredit tous les pronostics qui se sont avérés infiniment exagérés par rapport à la réalité.

Tableau 4 : Comparaison des pertes en terre et ruissellements annuels moyens des deux dispositifs expérimentaux (parcelles et bassins versants)

Tableau 4 : Comparaison des pertes en terre et ruissellements annuels moyens des deux dispositifs expérimentaux (parcelles et bassins versants)

(*) Moyenne des parcelles de Rushubi II sur lesquelles ont été expérimentés du manioc sur buttes individuelles et du manioc sur billons isohypses associés ou non à des bandes de tripsacum d’1 m de large et équidistantes de 7 m.

59Les écarts de l'érosion entre les deux échelles, de 60 pour les pertes en terre et de 30 pour le ruissellement, montrent que les pertes au champ sont infiniment supérieures (tableau 4). Elles ne sont pas extrapolables à l'ensemble d'un bassin versant. Dans le cas de nos deux bassins expérimentaux, leur morphologie, leur fonctionnement hydraulique, la différenciation de la fertilité naturelle des sols et la densité d'occupation sont autant de facteurs qui interagissent sur le comportement hydraulique des différentes unités élémentaires qui les composent. L'étude morphopédologique et hydrodynamique à l'échelle du 1/10 OOOème des deux bassins (DUCHAUFOUR et PARTY, 1988) explique cette disparité (figures 7 à 11) :

  • La forte occupation du sol dans les zones les plus fertiles où l'on observe une densité élevée avec 5 à 7 associations culturales différentes (figures 8 et 9). Cette densité est remarquable dans la concavité des pentes occupées surtout par une bananeraie dense et la colocase. Elle assure un excellent couvert végétal continu dans le tiers inférieur du bassin qui absorbe l'énergie cinétique des gouttes de pluie.

  • Au niveau du fonctionnement hydraulique, on constate une inversion des vitesses d'infiltration entre l'amont et l'aval en passant par un optimum à mi-parcours (figures 10 et 11). Une grande partie de l'eau de pluie s'infiltre en amont et circule dans les couches en profondeur pour alimenter la nappe phréatique des bas-fonds ou déboucher à la surface sous forme desource à l'extérieur des bassins.

  • La fertilité des sols associée à ses caractéristiques morphologiques donne une bonne idée des processus pédogénétiques et érosifs qui se déroulent dans les bassins. On observe un début de dégradation des hauts de bassin abrupts par appauvrissement physico-chimique (acidification, désaturation du complexe absorbant, apparition d’une toxicité aluminique) et enrichissement des thalwegs concaves à profil arrondi et des replats dans lesquels les pH (6 à 7,5), les concentrations organiques (5 à 8 %) et les CEC (> 20 méq/100 g de terre, saturées) sont élevées (figure 7).

60L'effet du changement d'échelle sur les pertes globales est évident, mais cela ne veut pas dire que l'érosion hydrique ne se manifeste pas. Même s'il est difficile de quantifier les pertes au niveau parcellaire, il est possible malgré tout de porter un jugement sur l'évolution de l'érosion des bassins. En se référant à la description des profils pédologiques et à leur analyse physico-chimique, nous avons ainsi constaté le réarrangement à l'intérieur même du système avec enrichissement à l'aval aux dépens d'un appauvrissement et d'une dégradation en amont :

  • Erosion en nappe au niveau de l'arête sommitale (impluvium) repris très rapidement par l'érosion linéaire et le creeping sur les pentes fortes. Microglissements successifs et petites coulées boueuses (de quelques dizaines de mètres) favorisés par la faible profondeur de la roche mère en zone amont (figures 7 à 11).

  • Accumulation organique avec saturation des complexes absorbants dans les replats et pentes concaves et baisse de fertilité sous cultures peu couvrantes dans le tiers supérieur des bassins (figures 7 à 11).

Figure 7 : Toposéquence géomorphopédologique du BV de Nyarumpongo (N° 2)

Figures 8 et 9 : Fonctionnement des systèmes-sols en fonction de l’occupation du sol et de la géomorphologie et positionnement des dispositifs lysimétriques des deux BV de Cirisha (L1 à L3 : BV1) et Nyarumpongo (L1 à L5 : BV2)

Figures 10 et 11 : Conductivité hydraulique 20 des horizons pédologiques et fonctionnement hydrique des deux BV

  • 6 Aujourd'hui, une vingtaine d'années après, il resterait à vérifier l' incidence de cette densificat (...)

61Depuis le démarrage du suivi expérimental des bassins en 1987, la densité du couvert s'est accrue considérablement. La bananeraie couvre au fil des ans, de plus en plus les parties sommitales et les hauts de pentes (de plus de 60 %) tandis que les systèmes culturaux ont tendance à se complexifier. L'étude de CHANTRAINE (1991) n'a pu montrer une cohérence entre les apports réguliers de compost-fumier et l'évolution des critères chimiques et physiques des parcelles. Cependant, il est probable que cette densification accompagnée de méthodes intensives (apports réguliers de fumure organique) contribuera dans le temps et dans l'espace à restaurer la fertilité des sites les plus dégradée et à maintenir le niveau de fertilité des zones les plus riches66. La densification culturale des hauts de versant n'atténuera pas forcément les risques de glissements et de coulées boueuses. En 1991, nous avons observé que l'installation d'une simple bande herbacée (Setaria) a été à l'origine d'une coulée boueuse (20 à 30 mètres). La bande d'herbe a freiné le ruissellement et accentué l'infiltration ce qui a engendré une saturation en eau au contact du plan de glissement (cf. profils hydrodynamiques des figures 10 et 11) et un déferlement de boue lorsque la limite de liquidité a été atteinte. Il est donc important de considérer également le type de végétation (arbres à enracinement pivotant profond tels que les eucalyptus, Grevillea et Cedrela en système cultivé, etc .. ) afin de diminuer les risques de ce genre.

62Retenons avec l'exemple de ces bassins versants que, dans le contexte du pédopaysage de Rushubi II, les zones à forte perméabilité correspondent aux pentes les plus fortes et aux sols les plus fragiles au décapage (sols d'altération récente kaolinitiques à horizon organique concentré en surface des figures 7 à 9). Bien que cette perméabilité soit à l'origine de circulations hypodermiques favorisant les risques de glissement et de lessivage des nutriments, elle a au moins le mérite de favoriser l'infiltration, d'alimenter en eau les plantes et par conséquent d'atténuer les concentrations de ruissellement en surface.

63En pratique, sur le terrain, les multiples variations du facteur topographique sur les phénomènes d'érosion remettent en cause la généralisation des techniques anti-érosives qui ont été appliquées sans discernement quelle que soit la forme du paysage, la nature du sol et le couvert végétal. Si des mesures anti-érosives se justifient dans bien des cas, les techniques à utiliser ne peuvent quant à elles être limitées à une ou deux seulement. La protection par le couvert végétal a lui aussi de multiples façons d'être utilisé pour intervenir efficacement sur le ruissellement en nappe et rigole et la restauration des sols. La diversité et la densité du couvert biologique observée sur les deux bassins versants ont une incidence globalement positive sur leur fonctionnement écosystémique puisqu'elles contribuent grâce au couvert protecteur à la redistribution des ruissellements et des éléments solides à l'intérieur même du périmètre des bassins versants; elles participent en outre implicitement et indirectement à la restauration de la fertilité des terres.

3.2.2 Evaluation qualitative des pertes par écoulements hypodermiques

64En 1988, un suivi lysimétrique simplifié (figures 8 et 9) a été installé sur les bassins expérimentaux de Cirisha et de Nyarumpongo (DUCHAUFOUR et PARTY, 1988) qui représentent des sites idéaux pour évaluer en milieu réel les pertes de nutriments par drainage et lixiviation. La collecte des eaux de lessivage (figure 12) nous permet d’apprécier leur concentration et d’avoir une idée, plus qualitative que quantitative, des transferts cationiques à l’intérieur du bassin avant d’être évacués à l’extérieur après chaque pluie. Les pluviolessivats sont récupérés au contact des horizons organiques et des horizons minéraux (35 à 50 cm de profondeur) soit légèrement en-dessous de la plus forte densité racinaire des principales cultures vivrières. Nous donnons les résultats en kg/ha de sol drainé pour une campagne de mesure (88-89) sur chacun des bassins versants étudiés (tableau 5) en admettant, comme hypothèse, que les flux latéraux et verticaux sont constants de part et d’autre du dispositif et que les lysimètres ne constituent pas un cône de drainage préférentiel (excepté les lysimètres N° 2 des deux bassins).

Figure 12 : Dispositif lysimétrique adopté sur les Bassins versants expérimentaux de Cirisha et Nyarupumgo

65Pour des facilités de suivi et de collecte, les analyses n'ont porté que sur les cations basiques qui restent stables dans le temps. Etant donné l'imprécision de la méthode de collecte sur le terrain, ces valeurs ne sont données qu'à titre indicatif.

66En comparant les pertes des écoulements hypodermiques des bassins versants avec celles de l'érosion de surface des parcelles cultivées de Rushubi II, nous constatons que les valeurs sont en général de 5 à 10 fois inférieures pour le calcium et le magnésium et légèrement supérieures pour le potassium. Les pertes enregistrées par les lysimètres N°2 (BV1) et N°3 (BV2) sont encore plus significatives. Elles correspondent à la moitié du transport de chaux en surface et au double voire au triple de la magnésie et de la potasse entraînées par le ruissellement de surface. Ces deux lysimètres, disposés dans une dépression concave de pente, récupèrent un maximum de volume d'eau à concentration à peu près égale aux autres pluviolessivats. Ces sites d'écoulements hypodermiques préférentiels sont en quelque sorte les drains naturels des 2/3 supérieurs des bassins et débouchent dans les zones d'accumulation en contrebas.

Tableau 5 : Résultats des pluviolessivats des bassins de CIRISHA et de NYARUMPONGO

Tableau 5 : Résultats des pluviolessivats des bassins de CIRISHA et de NYARUMPONGO

* Les sources d’erreur peuvent être importantes en raison des faibles concentrations mesurées par échantillon d’eau (degré de précision insuffisant), des méthodes de collecte et des diverses pollutions extérieures (poussières). Nous avons préféré de ne pas en tenir compte sur le plan du bilan des importations/exportations. Néanmoins, il faut considérer que la pluie, qui récupère la poussière de l’atmosphère, n’est pas entièrement déminéralisée

67Le résultat à la fois intéressant et logique concerne la concentration en meq/litre des pluviolessivats qui augmente progressivement de haut vers le bas. Plus le sol est riche en nutriments, plus la solution du sol est élevée, celle-ci variant d'un facteur de 2 à 6 suivant la nature de l'élément. Le lessivage des cations suit donc une logique irréfutable déjà analysée auparavant laquelle est déterminée par l'enrichissement des zones concaves et des bas de versant et par la dégradation physico-chimique des hauts du bassin par acidification, désaturation du complexe échangeable, toxicité aluminique et appauvrissement organique. Les éléments cationiques provenant du lessivage de la partie sommitale sont redistribués à l'intérieur même des bassins versants, plus exactement au niveau des replats ou au confluent des petits vallons dans lesquels les sols ont accumulé de forte épaisseur de colloïdes (argiles et composés humiques des sols bruns isohumiques eutrophes de la figure 7). Avec leur faible porosité en surface (caractère gleyique) et leur fort pouvoir d'adsorption, les solutions du sol ont tendance à se concentrer et les pertes par lixiviation à diminuer quantitativement malgré les fortes concentrations enregistrées. Il n'est donc pas étonnant d'y trouver les meilleurs sols du pays caractérisés d'une accumulation de plus d'un mètre de matière organique d'une teneur moyenne de 5%, d'une CEC totale de 30 meq/100gr. saturée entre 80 et 85% avec des concentrations exceptionnelles de potasse, calcium et magnésium. Ce type de sol, localisé à ces sites particuliers du pédo-paysage de Rushubi II, est fréquent dans le Mumirwa. Ces sols sont occupés par une bananeraie dense à colocase dont les productions, toujours élevées, n'ont jamais cessé de diminuer.

68Les sources (BV2, analyse en annexe 2) et les circulations en grande profondeur (> 1,3 m) qui alimentent la nappe phréatique sont les principaux exutoires souterrains de ces bassins versants élémentaires.

3.2.2 Les tests de stabilité structurale et les limites d'Atterberg indiquent de bonnes propriétés mécaniques des sols argileux

69Si les résultats obtenus sur parcelles WISCHMEIER donnent une bonne appréciation de l’érodibilité de différents sols du pays, la reproductibilité de ce type d’expériences, reste en revanche onéreuse, contraignante et surtout incomplète pour estimer toute la diversité des milieux et des sols ainsi que leur résistance et leur comportement à l’érosion dans le contexte du relief burundais.

70Différents tests, faciles à réaliser en laboratoire, peuvent venir compléter le dispositif de mesure de l'érodibilité des sols. Il s'agit en premier lieu du test de stabilité structurale de HENIN qui détermine la résistance des agrégats soumis à différents tests de mouillabilité et de cohésion selon un mode opératoire précis en présence de trois liquides dispersants (eau, alcool et benzène). D'après VALENTIN (1989, cité par ROOSE, 1994), l'indice de stabilité structurale est en bonne relation avec les pertes en terre et la résistance du sol à l'état sec ou peu humecté par les pluies (début de saison des pluies). Le deuxième test réalisé in situ consiste en la mesure de la perméabilité laquelle est d'autant plus faible que la structure est moins favorable (cf. figures 8 et 9). Les limites d'ATTERBERG quant à elles conviennent mieux pour évaluer la résistance des sols humides de fin de saison de pluie car elles définissent les teneurs en eau qui caractérisent les changements d'état d'un sol et leurs différents domaines de consistance (dure, friable, plastique et liquide) qui varient dans de larges limites avec d'une part la quantité d'eau interstitielle que contiennent les pores du sol et d'autre part l'épaisseur des couches d'eau absorbées qui enrobent les grains.

71Les analyses (test de stabilité structurale et limites d’Atterberg) effectuées sur quelques échantillons prélevés dans les deux bassins versants (sols d’altération récentes kaolinitiques et ferrisols argileux anthropiques et humifères, figure 13) montrent de très bonnes qualités physiques des terres qui caractérisent le pédopaysage de Rushubi II :

  • Une structure très stable pour tous les horizons de surface testés (6),

  • Une bonne aptitude du matériau au travail du sol l’indice de plasticité variant de 10 à 15 % et facilités d’intervention culturale du fait de l’éloignement important de l’humidité équivalente (He) de la limite de plasticité située entre des plages d’humidité de 15 et 25 % (DUCHAUFOUR et PARTY, 1988). Il faudrait une saturation en eau supérieure de 40 à 80 % à l’He pour limiter les interventions culturales et atteindre la limite de plasticité et une saturation double vis-à-vis de He pour atteindre la limite de liquidité.

Figure 13 : Résultats des limites d’Atterberg effectuées sur cinq échantillons des deux BV

72Ce dernier cas n’intervient qu’exceptionnellement en cas de sursaturation des horizons liée à certains aménagements mécaniques inadaptés qui favorisent l’emmagasinement de l’eau et empêchent son drainage latéral (fossés isohypses aveugles, canaux de contours cloisonnés).

Conclusion

73Au niveau du proto de de recherche : Le protocole de Wischmeier expérimenté entre 1977 et 1995 dans cinq stations représentatives du Burundi s'est révélé un processus de recherche long et coûteux. Ces données désormais acquises pour le pays peuvent être couplées avec différentes études de cartographies détaillées de la couverture morphopédologique mais aussi avec la connaissance précise des profils structuraux (stabilité structurale, détermination des domaines de consistance par plage d'humidité, évolution du profil structural dans le temps, analyse du profil hydrodynamique avec test de perméabilité par horizon), du taux de matière organique et de son turn over, des teneurs de fer et alumine libre et du type d'argile. L'analyse de toutes ces données permettrait de mieux apprécier le fonctionnement de l'érosion en nappe et rigole qui sévit dans le pays.

74Au niveau des mécanismes observés : L'érosion et le ruissellement modifient plus ou moins progressivement les propriétés physico-chimiques du sol par sélectivité des éléments fertiles ou par transport des colloïdes et des micro-agrégats. Par ailleurs, plus le sol a son potentiel concentré en surface, plus rapidement il perdra sa potentialité. Lorsque nous savons que l'érosion peut atteindre en une année plus de 150 tonnes sous couvert très peu protecteur, on imagine bien que la situation devient critique. On peut donc se poser la question si les observations et les calculs réalisés en station et qui respectent les itinéraires classiques du milieu rural, se généralisent dans la colline et si c'est le cas, comment se fait-il que les familles arrivent encore à s'autosuffire ?

75Pour avoir un impact positif sur la productivité des terres, il apparaît évident qu'il faut aujourd'hui orienter les interventions sur les terres où les pertes de production sont compensées par l'emploi d'intrants à doses modérées mais régulières. La différenciation d'un sol à l'autre s'avère donc importante sachant que le travail de conservation et de restauration peut demander soit de simples mesures à la portée de la plupart des familles rurales avec des rendements immédiats à la clé ou au contraire des moyens plus onéreux mais pas forcément durables sur le plan agronomique.

76Là encore, les familles rurales burundaises sont les meilleurs experts de leur terre. Ils connaissent le comportement de leur sol et savent comment il réagit par rapport à une culture déterminée et à différentes doses de fumure organique. L’accroissement de la rentabilité des terres par la valorisation de la production agricole est entre les mains de chacun d’eux à condition de leur donner les moyens de produire mieux.

Bibliographie

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Annexes

Annexe 1

Géologie, occupation des sols et figures d’érosion dans la région d’Isale (Mumirwa central)
(in Duchaufour et Party, 1988)

Géologie, occupation des sols et figures d’érosion dans la région d’Isale (Mumirwa central)(in Duchaufour et Party, 1988)

Notes

1 Travaux de la mission Forestière Crête Congo-Nil basée au Département des Forêts entre 1977 et 1984 puis de la Division Sylvicole de l'Institut des Sciences Agronomiques du Burundi (ISABU) en 1985 devenue Projet de Recherche pour la Protection de l'Environnement de 1991 à 1995

2 Le facteur SL se calcule aussi à partir de l’équation de WISCHMEIER :L/100 (0,76 + 0,53 S + 0,0076 S2).

3 L’une des époques précambriennes (650 à 1100 millions d’années) représentée en Burundi

4 Indice de KAMPRATH (Ik.) = Al3 + /Sommes des bases + H+ + Al3+ . Plus l’indice est élevé, plus la toxicité par l’aluminium échangeable est forte. Le seuil de tolérance pour la plupart des cultures vivrières est de 30 % (OPDECAMP, 1988)

5 La densité apparente moyenne des matériaux transportés est de 2 et celle de l'horizon de surface 1,28.

6 Aujourd'hui, une vingtaine d'années après, il resterait à vérifier l' incidence de cette densification culturale sur l'évolution physico-chimique des sols.

Table des illustrations

Légende Figure 1 : Situation des 5 stations de mesures sur parcelles Wischmeier suivi par l’ISABU
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/13976/img-1.jpg
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Légende Tableau 1 et Figure 2 : Valeur moyennes des coefficients d’érodibilité. Kam et des coefficient de ruissellement KRam en % des différents pédopaysages burundais
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Légende Figure 3 : Les variations du coeficient d’érobilité.K en fonction des paramètres des sols
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Légende Figure 4 : Variation de l’indice de sensibilité K des sols en fonction de leur propriété organo - minérale (Kuntze et al, 1988)
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Légende Figure 5 : Evolution de la sélectivité en nutriments des terres érodées sur parcelle cultivée entre 1990 et 1994 (rotation Manioc-Manioc-Maïs-Haricot-Jachère cultivé sur billon isohypse et légèrement paillé de déchets de labour)
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Titre Tableau 2 : Pertes sélectives en nutriments sur les deux sites de Rushubi II et du Moso durant la campagne 90-93
Légende * Rushubi II : Moyenne des pertes sur une rotation Manioc-Manioc-Maïs-Haricot avec forte fumure de fumier bovin en tête de rotation : pertes manioc (90-92) = 1,5 T/ha/an ; pertes maïs-haricot (92-93) = 156 T/ha moyenne de 53 T/ha/anMoso : Moyenne des pertes sur une rotation Manioc-Manioc-Maïs-Jachère : pertes manioc (90-92) = 10,3 T/ha/an ; pertes maïs-jachère (92-93) = 8,8 T/ha moyenne de 9,8 T/ha/an** Calculé par rapport à 10 cm de sol (densité apparente = 1,15 pour Rushubi II et 1,24 pour le Moso)
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Titre Tableau 3 et figure 6 : Ruissellement et perte en terre annuels sur parcelle Wischmeier de différente inclinaison et productivité du manioc
Légende (...) = première année de jachère ξ = petite perte non quantifiable
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Titre Tableau 4 : Comparaison des pertes en terre et ruissellements annuels moyens des deux dispositifs expérimentaux (parcelles et bassins versants)
Légende (*) Moyenne des parcelles de Rushubi II sur lesquelles ont été expérimentés du manioc sur buttes individuelles et du manioc sur billons isohypses associés ou non à des bandes de tripsacum d’1 m de large et équidistantes de 7 m.
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Légende Figure 7 : Toposéquence géomorphopédologique du BV de Nyarumpongo (N° 2)
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Légende Figures 8 et 9 : Fonctionnement des systèmes-sols en fonction de l’occupation du sol et de la géomorphologie et positionnement des dispositifs lysimétriques des deux BV de Cirisha (L1 à L3 : BV1) et Nyarumpongo (L1 à L5 : BV2)
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Légende Figures 10 et 11 : Conductivité hydraulique 20 des horizons pédologiques et fonctionnement hydrique des deux BV
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Légende Figure 12 : Dispositif lysimétrique adopté sur les Bassins versants expérimentaux de Cirisha et Nyarupumgo
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Titre Tableau 5 : Résultats des pluviolessivats des bassins de CIRISHA et de NYARUMPONGO
Légende * Les sources d’erreur peuvent être importantes en raison des faibles concentrations mesurées par échantillon d’eau (degré de précision insuffisant), des méthodes de collecte et des diverses pollutions extérieures (poussières). Nous avons préféré de ne pas en tenir compte sur le plan du bilan des importations/exportations. Néanmoins, il faut considérer que la pluie, qui récupère la poussière de l’atmosphère, n’est pas entièrement déminéralisée
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Légende Figure 13 : Résultats des limites d’Atterberg effectuées sur cinq échantillons des deux BV
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Titre Géologie, occupation des sols et figures d’érosion dans la région d’Isale (Mumirwa central)(in Duchaufour et Party, 1988)
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