Problématique

1L’axe transvolcanique mexicain qui traverse d’est en ouest le centre du pays, est constitué de chaînes de volcans encadrant des vallées. Les sols y sont donc d’origine volcanique. Le climat tempéré sub-humide à humide (600 à 1 100 mm an^-1) présente une saison sèche marquée d’octobre à mai. Au niveau des piedmonts, les sols possèdent un ou plusieurs horizons indurés plus ou moins proches de la surface. Ces matériaux indurés sont appelés localement tepetates, qui est un terme nahuatl qui signifie « lit de pierres » (Siméon, 1887). Ils ont des propriétés de fragipan (dur à l’état sec, friable à l’état humide), et sont classés comme des Regosols (Eutric Regosols, FAO ; Lithic Ustorthents, USDA). L’origine de ces matériaux est liée au volcanisme éruptif de type phréatomagmatique qui se traduit par l’émission de coulées de boue (lahar, surge) capables de recouvrir des surfaces de plusieurs dizaines, voire même de milliers de kilomètres carrés (CAS et Wright, 1988). Ces dépôts peuvent être ou non remaniés, puis recouverts de cendres éoliennes qui à la longue, vont former un sol très fertile contrairement aux coulées qui elles, vont se consolider et s’indurer. Ces processus éruptifs peuvent se répéter en l’espace de quelques heures, de mois, d’années ou de milliers d’années. Le résultat est une succession de dépôts de tufs indurés et de cendres non consolidées, plus ou moins altérées, formant parfois un paléosol. Dans le cas de la Sierra Nevada située entre Mexico et Puebla, Werner et al. (1978) ont pu établir que la dizaine de séries décrites datent de - 40 000 ans pour la plus ancienne à - 10 000 ans pour la plus récente.

2L’étude approfondie de l’origine et de la nature de l’induration de ces tufs montre qu’elle est due principalement à des processus géologiques auxquels peuvent se rajouter parfois des dynamiques pédologiques (Hidalgo et al., 1992 ; Etchevers et al., 2004 ; Sedov et al., 2003). Ainsi, la présence de carbonates de certains niveaux est attribuée à un climat plus chaud et humide il y a 8 000 à 10 000 ans, qui a permis leur dissolution, transport et recristallisation (Quantin, 1992). Il reste que l’induration n’ayant pas de causes actuelles, il n’y a donc pas de risque qu’elle réapparaisse après le défonçage de ces horizons.

3Sous l’effet des pluies et de la mauvaise gestion des terres par l’homme, les sols couvrant les tepetates peuvent être érodés et même disparaître au point de laisser affleurer ces matériaux indurés. Les surfaces concernées sont considérables, puisqu’elles couvriraient au moins 30 700 km² au Mexique (Zebrowski, 1992). Pour certains États comme celui de Tlaxcala (Werner et al., 1988), c’est même près de la moitié de leur superficie qui est érodée ! Or ces horizons indurés, de par leur genèse, sont pratiquement stériles tant sur le plan physique que chimique et biologique (Etchevers et al., 1998). De plus, leur compacité bloque la circulation des gaz et de l’eau. Il est donc impossible de les cultiver en l’état. Les conséquences socio-économiques sont d’autant plus importantes que ces affleurements sont localisés sur les piedmonts des reliefs (Servenay et Prat, 2003) qui correspondent aux zones cultivées par les petits paysans plus ou moins marginalisés (Prat et al., 1997 ; Zapata Martelo et al., 2006). D’autre part, les secteurs situés en aval de ces terrains quasi imperméables souffrent d’inondations récurrentes lors d’événements pluvieux importants (Bouvier et Rossel, 1995).

4Au delà d’un usage dans la construction sous forme de blocs, les tepetates ont d’abord et avant tout, fait l’objet d’aménagement en vue de leur donner un usage agricole et ce, dès l’époque précolombienne, preuve que la mauvaise gestion des sols n’est pas une affaire récente (Werner et al., 1988 ; Navarro et Prat, 1996) ! Pour créer un sol nouveau à partir de ces matériaux durs, il faut d’abord rompre les blocs. Dans les premiers temps, cela fut fait à la main à l’aide de pics, puis à partir des années 1960, avec des tracteurs puis des bulldozers. Le travail de défonçage devint alors plus rapide, plus profond, mais aussi bien plus érosif qu’autrefois quand le travail est fait sans précaution. Après une courte période d’assoupissement, les programmes de mise en culture des tepetates, cofinancés par les gouvernements locaux, ont repris à partir des années 2010. Ils s’appuient sur les résultats de recherches menées au cours de ces trente dernières années, notamment celles réalisées dans le cadre de coopérations européo-mexicaines (Étude des sols volcaniques indurés de Mexico et de Tlaxcala en vue de leur réhabilitation agricole, 1988-1992. Régénération et conservation des sols volcaniques indurés et stériles d’Amérique Latine, 1992-1996. Revolso-Alternative agriculture for a sustainable rehabilitation of deteriorated volcanic soils in Mexico and Chile, 2001-2006). Ces travaux, au-delà de la compréhension des origines et caractéristiques des tepetates, ont permis de définir les conditions nécessaires à la conversion de ces matériaux indurés stériles en sols fertiles et productifs dans le cadre d’une approche durable, compatible avec les intérêts et les capacités techniques et économiques des petits paysans concernés tant au Mexique que dans d’autres pays latino-américains (Prat et al., 2012).

Les tepetates, des matériaux inertes, compacts et stériles

5Les tepetates, de par leur origine phréato-magmatique et leur mode de dépôt, présentent des propriétés bio-physico-chimiques ayant de nombreux traits communs, même si on peut noter une certaine variabilité pour chacune d’entre elles. Il n’y a donc pas un tepetate, mais des tepetates, chacun ayant des caractéristiques propres sur un fond commun. La première caractéristique commune est naturellement la compacité et la dureté qui peuvent être extrêmement élevées dans le cas de tepetates carbonatés (tabl. 1). La force de pénétration en sec est de l’ordre de 20 kg.cm^-2. La porosité est faible, et ce d’autant plus, qu’elle est constituée principalement de bulles occluses (Hidalgo et al., 1992) et que la macroporosité est inférieure à 5 %. Il n’est donc pas surprenant que la conductivité hydraulique ne dépasse pas quelques millimètres par heure (Prat et al., 2003). Cette compacité constitue donc la principale limitation physique. Le premier enjeu de la mise en culture des tepetates est donc la création d’une porosité qui fait défaut au matériau initial afin de permettre à l’eau, aux gaz et aux racines de circuler facilement et de permettre les interactions et les échanges indispensables à la vie d’un sol.

Tableau 1. Valeurs minima, moyennes et maxima des caractéristiques physiques des tepetates.

6En ce qui concerne les propriétés liées à la fertilité minérale et organique (tabl. 2), on observe un pH eau alcalin, une teneur en C, N et P pratiquement nulle, mais une forte CEC liée à la présence d’argile de type 2 :1 et un pourcentage de saturation en bases élevé. La fertilité des tepetates est donc extrêmement limitée (Etchevers et al., 1998). C’est le deuxième enjeu de la conversion de ces matériaux en sol.

Tableau 2. Caractéristiques physico-chimiques des tepetates.

7Enfin, la vie dans les tepetates est également très pauvre, tant en nombre d’espèces qu’en population. Ferrera-Cerrato (1992) a ainsi dénombré 2,2 × 10⁴ de bactéries, 1,2 × 10⁴ d’actinomycètes et 0,7 × 10² de champignons par centimètre cube de sol. C’est le troisième enjeu de la récupération des tepetates : permettre le développement de micro-organismes, aussi diversifiés que nombreux.

Le défonçage mécanique des tepetates

8Le défonçage mécanique se fait avec un bulldozer, type D6 ou D7 de Caterpillar, équipé de 3 dents espacées de 50 cm. Le plus efficace est d’effectuer un passage croisé à une profondeur effective de 30-40 cm. Il faut compter 1 à 2 jours de travail par hectare. Dans la mesure où il s’agit de terrains localisés sur des piedmonts, il est indispensable d’effectuer également des travaux de terrassements (terrasse, talus, évacuation des eaux, contrôle des chemins d’accès) visant à réduire l’érosion hydrique et à faciliter le travail du paysan. Afin de stabiliser les bords, il faut planter des espèces pérennes, telles que figuiers de barbarie, agaves, arbres fruitiers. De plus, ces plantes fourniront des produits commercialisables au bout de quelques années.

9Après le passage du bulldozer qui globalement crée des blocs de plusieurs dizaines de centimètres cubes, il faut ensuite faire un passage croisé de disques avec un tracteur afin de réduire cette taille d’un facteur 10 à 100. Il est à noter que paradoxalement, un défonçage plus profond permettant de créer une réserve hydrique plus élevée entraîne des surcoûts et un trop grand émiettement des fragments à cause des plus nombreux passages du bulldozer.

10Il en va de même, en cas de trop nombreux passages de disques, ou bien de passage à une vitesse trop élevée afin de ne pas transformer les blocs en particules de la taille de limons (tabl. 3). Or cette granulométrie, sous l’effet des premières pluies, favorise la formation d’une croûte de battance de plusieurs centimètres d’épaisseur, rendant la surface du sol imperméable. L’eau ne pouvant plus pénétrer le sol génère une érosion en nappe très importante et réduit d’autant l’infiltration et donc la recharge de la nouvelle réserve hydrique (Lauffer et al., 1997 ; Quantin et al., 1998) avec pour conséquence, la baisse de rendement de la culture installée (Prat et al., 1997).

Tableau 3. Granulométrie du tepetate en fonction de son mode de préparation initiale et après trois ans de mise en culture.

11Le respect des recommandations énoncées conduit à un accroissement de la porosité des tepetates, ce qui augmente la capacité de captation de l’eau de 5 à 6 fois par rapport à celle de tepetates à l’état naturel. Le ruissellement diminuant d’autant, les pertes de sols liées à l’érosion en nappe, ainsi que les risques d’inondation en aval sont alors fortement réduits (tabl. 4)(Prat et al., 2003).

La gestion de la matière organique des tepetates, ou, comment passer d’un substrat minéral fragmenté à un sol grumeleux

12Le travail mécanique des tepetates permet de passer de blocs à des fragments aux bords anguleux plus petits. Toutefois, il ne s’agit pas encore d’agrégats. Or ce sont les agrégats, association de fragments minéraux et de matières organiques, qui constituent une des bases de la fertilité des sols.

13Báez et al. (2007a) ont sélectionné une centaine de parcelles de tepetates cultivées en fonction de leur date de mise en culture (0 à 100 ans) et des pratiques culturales. Une séparation visuelle entre agrégats et fragments a été faite sur des échantillons prélevés entre 0-20 cm de profondeur. Un tamisage a permis de sélectionner 5 classes granulométriques (50,3-22,2/22,1-11,3/11,2-6,30/6,29-4,25/4,24-3,36 mm) sur lesquelles a été mesuré le C organique. Il ressort que le pourcentage d’agrégats augmente d’une part, avec le temps de mise en culture des tepetates (fig. 1) et d’autre part, avec le type de pratique culturale qui incorpore le plus de matières organiques (fig. 2).

14Que ce soit en plantations expérimentales d’arbres fruitiers, de cultures fourragères (Velázquez et al., 2001) ou vivrières de plein champ (Báez et al., 2002, Covaleda et al., 2011), l’accumulation de C dans un tepetate récemment cultivé est immédiate et n’atteint une limite qu’au bout d’une vingtaine d’années La quantité de carbone organique stocké dans les 20 premiers centimètres du sol peut atteindre des valeurs considérables en 3 à 5 ans, puisque Báez et al. (2002) a mesuré 90 Mg.ha^-1 de C. Sachant que l’on part pratiquement d’une teneur en C proche de 0, on voit l’intérêt de la mise en culture des tepetates dans le cadre du réchauffement climatique et de la séquestration du carbone.

La gestion de la fertilité des tepetates, ou, comment passer d’un substrat minéral stérile à un sol fertile chimiquement

15Comme il vient d’être précédemment mentionné, les tepetates sont pratiquement dépourvus en matières organiques, mais aussi en azote (N), ce qui est normal puisqu’il s’agit de matériaux géologiques, compacts et abiotiques, et non de sol. Il n’y a donc pas d’autres alternatives que d’effectuer des apports sous forme d’engrais minéraux dans un premier temps au moins. Même dans le cas d’apport massif de fumier et de compost, la minéralisation d’engrais organiques prenant du temps et leurs teneurs en éléments fertilisants étant faibles, il est indispensable, tout du moins les première années de mise en culture, d’ajouter un apport minéral complémentaire au début du cycle agricole afin d’aider le démarrage des cultures (Báez et al., 2007b). Il faut noter que les apports de résidus de culture restent insuffisants, au moins en ce qui concerne N, pour couvrir les besoins des cultures suivantes. Ainsi, les résidus de culture de maïs issus de différents mode de pratiques agronomiques en milieu non irrigué génèrent entre 8 et 27 kg/ha N, alors que les besoins  e cette même culture selon ces même pratiques varient entre 33 et 84 kg/ha (Pérez-Olvera et al., 2000).

16Les doses optimales (40 t.MS/ha/an) de fumier pour améliorer la structure du sol (via formation d’agrégats) et la fertilité (via N) sont incompatibles avec la réalité pratique, technique et économique des petits paysans mexicains. Il est donc plus réaliste de viser des apports réduits (12 t.MS. ha/an) de fumier/compost mi  aux pieds des plantes associés à des engrais verts (Medicago polymorfa, Vesce...) et aux résidus de cultures, afin d’en enfouir la plus grande quantité possible. L’augmentation des teneurs en C dans les sols est immédiate et atteint en quelques années des valeurs significatives si ces recommandations sont suivies (Navarro, 1998 ; Báez et al., 2002 ; Covaleda et al., 2009).

17Les teneurs en phosphore total (130 mg P. kg^-1) des tepetates non cultivé  sont très largement inférieures à celles que l’on trouve normalement dans les sols cultivés (450 à 1 100 mg P. kg^-1 selon Havlin et  l., 2004)  Quant au P organique et assimilable, ils sont présents à l’état de traces (Etchevers et al., 1992b ; Covaleda et al., 2009). Ces très faibles teneurs s’expliquent par le nombre réduit de minéraux contenant des phosphates dans les tepetates. Une gestion des apports et des pratiques culturales adéquates permettent d’obtenir une évolution rapide des teneurs en phosphore du nouveau sol créé. Ainsi, l’application de fertilisants minéraux phosphatés (superphosphate triple, 100 unités. ha^-1, 3 applications sous forme de granulés) a un effet positif immédiat sur le P assimilable. L’apport de résidus organiques (culture, fumier) améliore la disponibilité de cet élément sous sa forme assimilable (Álvarez et al., 2000 ; Báez et al., 2002). En l’espace de 20 ans, on observe ainsi une progression linéaire de la teneur en P assimilable où, en valeurs moyennes, on passe de pratiquement 0 à 4,5 mg P.kg^-1. D’autre part, les tepetates présentent une capacité à adsorber rapidement le P appliqué. Ainsi en 24 heures, il peut en fixer 60 % dans le cas des tepetates non cultivés, et 56 % dans le cas de tepetates cultivés depuis 5 ans. Ces taux indiquent aussi q ’une partie importante du P n’est pas immédiatement utilisé par les plantes l’année de l’application de ces apports, mais qu’il reste toutefois sous une forme disponible pour être utilisé par les cultures l’année suivante. En conséquence, afin de remédier à ce déficit nutritif, il est recommandé de réaliser des applications annuelles de phosphates comprises entre 40 et 80 kg. P.ha^-1 en fonction de l’âge de mise en culture des tepetates concernés, des pratiques agronomiques menées et de la culture prévue (Etchevers et al., 1992b).

18Contrairement au P et à N, les tepetates sont bien pourvus en potassium (K) (tabl. 2). En effet, ce K est principalement issu de la dégradation de minéraux potassiques qui le composent (Hidalgo et al., 1992). La capacité tampon mesurée par Etchevers et al. (1992a), indique qu’une grande partie du K échangeable peut être extrait et devenir soluble, ce qui explique sa disponibilité et sa teneur. Les concentrations en K soluble dans l’eau dans les tepetates travaillés est d’environ 0,35 meq. 100 gr^-1 de sol, alors que celle des tepetates non cultivés depuis plusieurs années est supérieure (0,50 meq. 100 gr^-1 de sol) à cette valeur. Il en va de même avec les teneurs en K assimilable pour des tepetates cultivés depuis 30 ans (0,90 meq. 100 gr^-1 de sol)  par rapport à celle des tepetates non cultivés (1,20 à 1,63 meq. 100 gr^-1 de sol). Ces différences s’expliquent par les faibles, voire même l’absence totale d’apports de fertilisants potassiques par les paysans puisque dans les systèmes traditionnels, les demandes des cultures en K ne dépassent jamais le K disponible dans les sols (Havlin et al., 2004). Toutefois, la baisse de teneur indique qu’il faut compenser les pertes par un faible apport de K (Etchevers et al., 1992b).

19Etchevers et al. (1998) ont montré que les tepetates apportent les autres éléments minéraux dont les plantes ont besoin pour leur développement. Covaleda et al. (2009) ont mesuré sur parcelles récemment défoncées et cultivées, ainsi que sur des parcelles cultivées depuis 20 ans, que les teneurs en Ca²⁺ restaient constantes et que celles en Mg²⁺ et Na⁺ échangeables étaient divisées par deux en passant respectivement de 12 à 6 cmol.kg^-1 et de 1,4 à 0,7 cmol.kg^-1. La saturation en bases diminue donc au bout de quelques années, de 100 % à 90 %. Ceci se traduit par une baisse du pH d’une unité : on passe de 7,5 à 6,5 en 20 ans (Baumann et Werner, 1997).

La gestion de la vie dans les tepetates, ou, comment passer d’un substrat minéral abiotique à un sol vivant

20Contrairement aux tepetates à l’état naturel, les sols sont des ensembles vivants. La mise en culture des tepetates et le développement de la vie, en particulier micro-biologique, dans ces nouveaux sols, constituent le troisième enjeu.

21Les bactéries, actinomycètes et champignons sont présents dans les tepetates au niveau des fentes et des quelques racines des rares plantes qui poussent de façon sporadique sur ces matériaux. Leur nombre et variété sont dans ces conditions très limités (tabl. 5). Toutefois, le simple fait de fracturer les tepetates fait doubler les populations, et deux mois plus tard, les valeurs initiales sont triplées. C’est toutefois l’apport de matières organiques sous forme de compost qui conduit réellement à l’explosion de ces populations, les amenant à des valeurs proches de celles du sol en place recouvrant le tepetate étudié (Alvarez-Solís et al., 1992).

22L’importance des micro-organismes réside dans leur activité métabolique qui permet de fixer le N et de le minéraliser durant la transformation des matières organiques en humus stable. Dans la mesure où durant les premières années de mise en culture des tepetates, la quantité de matières organiques est faible, il existe une compétition entre micro-organismes et cultures pour utiliser le peu de N disponible qui se fait au détriment des plantes (Ferrera-Cerrato et al., 1997). Cette faim de N est également une des raisons qui explique la recommandation d’apporter en début de culture du N minéral afin d’éviter cette compétition. D’autre part, les racines, les exudats (Velázquez et al., 2001), et les champignons mycorhiziens produisent notamment de la glomaline (Báez et al., 2010). Or, sur les 90 Mg.ha^-1 de C des premiers 20 cm du sol, 13,5 Mg.ha^-1, c’est-à-dire 15 % du C, proviennent de la glomaline. De plus, cette glycoprotéine en agissant comme une colle entre les particules augmente considérablement le nombre d’agrégats du sol (Báez et al., 2010). C’est dire l’importance des micro-organismes dans la séquestration du C. Enfin, la culture du maïs au cours de la première année de mise en culture des tepetates ne produit pas de grains, alors que la production de matière verte est relativement bonne. Bien qu’il n’y ait pas d’études sur le sujet, il est probable que c’est l’absence de micro-organismes inféodés au maïs qui est responsable de cette situation.

Les tepetates cultivés : de nouveaux sols productifs mais qui ont un coût

23Les enquêtes de terrain auprès de petits paysans et les expérimentations à différentes échelles (depuis le laboratoire au plein champ) menées depuis plus de 20 ans ont permis d’aboutir à l’élaboration de recommandations agronomiques pour les petits paysans en agriculture pluviale, recommandations qui permettent d’obtenir de très bons rendements dès la première année de mise en culture.

24Comme il a déjà été signalé, le maïs et les haricots sont à proscrire en début de mise en culture des tepetates. Les céréales à petits grains (blé, orge.), associées à une légumineuse (vesce, luzerne type Medicago polymorfa), avec une fertilisation minérale 80-60-0 dont l’apport sera fractionné en trois, est une des meilleures alternatives puisque l’on a pu obtenir 18 t.MS.ha^-1 de fourrage frais et plus de 3,0 t.MS.ha^-1 d’orge, sans irrigation, soit 20 % de mieux que les rendements régionaux moyens ! En seconde année de culture, le maïs en monoculture ne dépasse pas les 2,0 t.MS.ha^-1 (ce qui correspond à la moyenne régionale), alors que l’association traditionnelle maïs-fève-haricot donne des rendements en maïs de 2,2 t.MS.ha^-1 auxquels il faut ajouter ceux des fèves (excellents) et des haricots (moyens) ! Les années suivantes, les rendements continuent d’augmenter (+ 10 % en 3^e année) pour atteindre 3,5 t.MS.ha^-1 de maïs avec une fertilisation plus importante de 120-60-0 (Navarro, 1998). Il faut noter que les résultats sont toujours meilleurs dans le cas des parcelles ayant reçu ou recevant régulièrement des composts et/ou les résidus de culture sont de plus réincorporés dans le nouveau sol (Báez et al., 2007b).

25En 2013, le défonçage des tepetates au bulldozer (Caterpillar D6  3 dents), effectué selon nos recommandations, coûte environ 650 € ha^-1 pour 1 à 2 jours de travail. Les passages d’un tracteur ensuite reviennent à 80 € ha^-1 pour 4 heures de travail. Le coût total dépasse donc les 700 € ha^-1. Si ce travail était effectué à la main, c’est-à-dire avec des pioches, le coût serait beaucoup plus élevé, puisqu’il atteindrait pratiquement le double, mais donnerait du travail à des dizaines de personnes. Or, dans ces milieux marginalisés, avoir un emploi, même temporaire et pénible, représente une aide financière importante pour les populations locales. Dans ces zones où c’est l’agriculture pluviale qui prédomine, la production ne dépasse pas les 2 à 3 t ha^-1 de maïs, d’orge ou de blé. Début 2013, cela revient à obtenir entre 450 à 700 € ha^-1 pour le maïs, de 500 à 750 € ha^-1 pour le blé et 350 à 550 € ha^-1 environ pour l’orge. À ces sommes, il faut encore sous raire les coûts de la culture elle-même. Si l’on compare les bénéfices de ces cultures aux coûts de préparation des tepetates, on voit qu’il faut attendre pratiquement 10 ans de retour sur investissements. Même avec des cultures à t ès fortes valeurs ajoutées comme les arbres fruitiers et les fleurs, il faut attendre au moins 5 ans. Ces sommes et l’immobilisation de capital sont incompatibles avec les ressources dont peuvent disposer les petits paysans mexicains de ces régions. Ainsi, dans tous les cas, une aide extérieure est indispensable si l’on veut convertir ces matériaux en champs agricoles productifs.

Conclusions

26Il est donc possible de transformer les tepetates, tufs volcaniques compacts, stériles en un sol nouveau, fertile, vivant et très productif. Il faut pour cela d’abord apporter des engrais minéraux, puis augmenter et gérer les matières organiques dont l’impact sur la physique, la chimie et la biologie du sol est considérable. Même si les coûts des travaux de mise en culture et terrassement peuvent être récupérés au bout d’une décennie, l’investissement initial est hors de portée du petit paysan mexicain concerné. Seule une aide de l’État, sous forme de prêt d’engins de terrassement par exemple, peut permettre la réalisation effective de ces travaux. La capacité de ces nouveaux sols à adsorber d’énormes quantités de C en très peu de temps devrait permettre d’obtenir des financements dans le cadre de la capture du C afin de lutter contre le réchauffement climatique, lesquels financements devraient être utilisés pour payer les engins permettant de transformer les tepetates en sol.