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Restauration de la productivité des sols tropicaux et méditerranéens

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Éric Roose

Partie 4. Restauration des sols par des techniques complexes

Chapitre 41. Évolution des propriétés des sols de lits de ravines marneuses au cours de leur restauration écologique (Draix, France)

Amandine Erktan, Lauric Cécillon et Freddy Rey

Résumé

L’importance du transfert sédimentaire fin de l’amont vers l’aval du bassin de la Durance est aujourd’hui essentiellement due à la présence de ravines érodées. Le colmatage des retenues hydro-électriques et d’autres conséquences négatives de ce transfert stimulent et justifient la restauration de ces terrains ravinés. Une stratégie d’ingénierie écologique, développée par l’Irstea, consiste à mettre en place des barrières végétales dans le lit des ravines pour favoriser la sédimentation, puis à terme, le développement d’un système sol-plante stable et fertile. Une expérience grandeur nature, menée depuis l’an 2000 dans les Alpes du Sud, a permis de montrer que des barrières de saules implantées en amont de seuils en bois retiennent efficacement les sédiments. Par ailleurs, les atterrissements sédimentaires ainsi formés en amont des barrières sont des zones privilégiées de colonisation végétale. Afin de prédire l’évolution possible sur le long terme du système sol-plante dans ces lits de ravines, un gradient de végétation se développant spontanément dans des lits de ravines a été étudié. Ceci a permis de montrer que, dans le cas où l’activité érosive des ravines ne perturbe pas significativement la dynamique végétale spontanée via des crues trop intenses ou trop régulières, celle-ci est caractérisée par une diversification des strates végétales et favorise la stabilité des agrégats, ainsi que la fertilité du sol. Cette stratégie d’ingénierie écologique semble donc pouvoir faire basculer l’écosystème d’un cycle de dégradation vers un cycle de restauration.

In the Durance catchment, gullies activity is responsible for the majority of fine sediment transfer, causing downstream negative consequences. Silting of hydroelectric dams is one of these consequences which lead to the development of various strategies for gullies restoration. An ecological engineering approach, developed by Irstea, consists in using vegetative barriers in gully beds to first promote sediment retention, and then to establish a real soil-plant system, with suitable soil stability and fertility in gully beds to sustain plant biomass production. A real-size experiment, launched ten years ago, showed that Salix cuttings barriers are efficient to retain sediment. In addition, phytogenic mounds, formed upslope plant barriers, are suitable areas for plant colonization. So as to assess the evolution of these gully beds in the next century, a vegetative gradient, meant to reproduce the vegetative succession which may occur in the future, has been studied. It unveiled that in the case of such a dynamics, vegetative cover becomes pluri-stratified and influences soil properties, with a significant increase in aggregate stability and soil fertility along the gradient. This ecological engineering approach thus seems to enable the shift of this ecosystem from a degradation cycle toward a restoration cycle.

Texte intégral

Introduction

1Dans les Alpes du Sud françaises, les bassins versants marneux, soumis à un climat montagnard méditerranéen, ont été fortement déboisés du xve jusqu’à la première moitié du xixe siècle, ce qui les rend particulièrement sujets à une intense érosion sous forme de ravinement (fig. 1). Dans ce milieu de moyenne montagne, les vitesses d’ablation, mesurées sur les versants dépourvus de végétation, sont d’environ 1 centimètre par an (Mathys et al., 2003). Cette érosion a des conséquences négatives sur les plans socio-économique et écologique à l’aval du bassin versant de la Durance. Hier les coulées de boue, aujourd’hui les crues, sont responsables de l’envasement des retenues hydro-électriques et du colmatage des frayères à poissons. Ceci n’a cessé de stimuler le développement de stratégies de restauration des terrains érodés dans cette région.

2C’est en 1860 que se met réellement en place la politique de restauration des terrains de montagne (RTM). D’importants travaux de restauration sont alors entrepris, selon diverses techniques (Lilin, 1986). Des seuils en bois ou en maçonnerie sont installés afin de corriger les lits des torrents. Par ailleurs, des pins noirs d’Autriche (Pinus nigra) sont plantés sur 300 000 hectares.

Système de ravines décapant totalement la surface d’un versant marneux. Noter les recrus de pins se développant à partir du fond de la ravine de Draix.
© A. Erktan.

Une nouvelle stratégie d’ingénierie écologique

3Malgré d’importants travaux de restauration depuis plus d’un siècle, des zones fortement ravinées subsistent encore. Les ravines marneuses qui incisent le paysage dans ces zones, à l’origine de la majeure partie de la production sédimentaire fine du bassin versant, sont les zones cibles d’une nouvelle stratégie d’ingénierie écologique, développée par l’Irstea (Rey, 2009). L’ingénierie écologique consiste à agir sur l’écosystème dans le but de le faire évoluer vers un nouvel état fonctionnel, bénéfique pour l’homme et aussi pour la nature (Mitsch et Jorgensen, 2004). De manière originale, l’ingénierie écologique met l’accent sur un apport, y compris énergétique, minimal de l’homme sur le système écologique, ainsi que sur l’utilisation des propriétés d’auto-organisation des systèmes écologiques visés.

4Dans les Alpes du Sud, la stratégie d’ingénierie écologique utilisée pour réhabiliter les ravines érodées consiste à utiliser la végétation comme piège à sédiments. Cette approche ne vise donc pas directement à limiter le détachement des particules de sol, mais à favoriser la sédimentation dans le lit des ravines.

5Cette rétention des sédiments à l’amont des bassins versants torrentiels représente une solution dite « minimale » (Hooke et al., 2007) dans le sens où elle cible les actions et évite d’avoir à végétaliser l’ensemble des terrains ravinés. L’objectif final est que ces amas sédimentaires forment des zones clés pour le développement spontané de la végétation, qui limitera alors directement l’érosion via l’action du couvert végétal sur la stabilité des sols. C’est donc la mise en place d’une boucle de rétroaction positive entre sol et plantes qui est visée sur le long terme.

6Afin de retenir des sédiments dans les lits de ravine d’environ un hectare, des ouvrages d’ingénierie écologique sont construits depuis une décennie. Ils sont constitués d’un seuil en bois mort, en amont duquel des boutures de saules d’environ 3 cm de diamètre et de 50 cm de longueur sont implantées de sorte que les deux tiers des boutures soient enfouies et qu’elles forment une haie.

Effets des ouvrages d’ingénierie écologique sur la restauration des ravines

Rôle des ouvrages d’ingénierie écologique dans la rétention de sédiments dans le lit de ravines

7Les ouvrages, disposés en cascade dans les lits de ravines, ont pour rôle premier de retenir une partie des sédiments en transit lors de crues. Le suivi des hauteurs de sédiments piégés par les ouvrages a été mené depuis 6 ans sur deux sites expérimentaux. Les résultats ont montré que, durant les trois premières années après leur implantation, ce sont les boutures de saules, implantées en amont du seuil en bois mort, qui retiennent les sédiments (fig. 1). À partir de la troisième année, les rejets des boutures prennent le relais et commencent à jouer un rôle dans la rétention des sédiments (fig. 1 ; Erktan et Rey, 2013).

8À l’échelle d’un sous-bassin versant de 3 ha, sur le site du Francon, où est menée une expérimentation grandeur nature (Draix, Alpes-de-Haute-Provence), il a été montré que les ouvrages piègent en moyenne 0,35 m3 de sédiments par an et que l’équipement des lits par des ouvrages permet ainsi de diminuer d’environ 1/3 la quantité de sédiments transitant à son exutoire (N. Talaska, communication personnelle). Enfin, il a été montré que l’efficacité des ouvrages est optimale lorsqu’ils sont placés à 1 mètre de dénivelé les uns des autres.

9Dans le but d’optimiser la rétention des sédiments dans les lits des ravines, nous avons cherché à relier les caractéristiques morphologiques des barrières végétales à leur capacité de rétention de sédiments. Nous avons ainsi observé que l’homogénéité morphologique des barrières végétales semble être un paramètre clé pour favoriser le piégeage de sédiments (Erktan et al., 2013).

Colonisation spontanée des atterrissements sédimentaires de lit de ravines par la végétation

10Les atterrissements sédimentaires formés en amont des barrières végétales de saules sont des zones favorables au développement d’une végétation spontanée. Ces amas sédimentaires forment en effet des marches d’escalier qui dissipent le ruissellement et fonctionnent comme des pièges à graines et à eau (Rey et al., 2005), favorisant l’installation et la croissance végétale.

11Le suivi du développement du couvert végétal dans les lits de deux ravines équipées d’ouvrages a permis de mieux comprendre les mécanismes expliquant cette colonisation végétale. Il s’agit de la germination, de la reproduction végétative, ou de façon plus originale du glissement d’individus ou de communautés végétales des versants vers le lit des ravines (Burylo et al., 2007). Quatre années après l’installation des ouvrages, le couvert végétal qui s’est développé dans les lits de ravines est majoritairement composé d’herbacées (60-70 %), d’espèces arbustives (25-30 %) et enfin d’espèces arborées (5-10 %) et ce, quel que soit le site expérimental étudié (photos a, b). La strate herbacée est dominée par Achnatherum calamagrostis et Aphyllantes monspellensis, la strate arbustive par Ononis fruticosa, Genista cinerea et Buxus sempervirens et la strate arborée par Pinus sylvestris et Pinus nigra. Les espèces installées sont majoritairement vivaces (97 %) et pionnières (34 %) (Sophie Labonne, communication personnelle). Le recouvrement végétal global des lits de ravine reste cependant faible (inférieur à 50 %).

a : ouvrages d’ingénieurie écologique au moment de leur installation, b : après une saison de végétation.
© A. Erktan

12Afin de mieux anticiper comment pourrait évoluer la végétation dans les décennies à venir, nous avons étudié la structure verticale de communautés végétales qui se sont spontanément installées depuis une centaine d’années dans des lits de ravines, sans construction d’ouvrages. Nous avons ainsi identifié un gradient de végétation qui correspond à la succession de différents stades écologiques jusqu’au « climax ». Le long de ce gradient de végétation, nous observons une augmentation de la proportion de la strate arborée, une augmentation puis le maintien de la strate arbustive et une diminution de la strate herbacée, qui reste cependant bien présente (fig. 3). On voit également apparaître une strate muscinale en fin de succession. Dans les ravines, l’activité érosive est telle que le passage d’un stade écologique au suivant peut être remis en cause par des crues de forte intensité. L’évolution des communautés le long de ce gradient n’est donc pas forcément linéaire. Ce gradient de végétation peut néanmoins correspondre à l’évolution du couvert végétal dans les lits de ravines aménagées par des ouvrages, si le développement de la végétation n’est pas trop intensément perturbé par des crues, et c’est pourquoi nous l’avons choisi pour être à la base de l’étude présentée ci-dessous, qui vise à mieux comprendre comment la stabilité et la fertilité des lits de ravines en cours de restauration peuvent évoluer au cours du temps.

Figure 1. Rétention de sédiments par les ouvrages d’ingénierie écologique durant les six premières années.
Source graphique : L. Harduin.

Influence de la végétation spontanée sur la stabilité des amas sédimentaires de lits de ravines

13Il a été montré sur substrat marneux que la présence de racines fines, caractéristiques des systèmes racinaires des herbacées et d’espèces arbustives, joue un rôle majeur dans la protection des terrains marneux contre le ruissellement concentré (Burylo et al., 2012). Par ailleurs, la présence de racines traçantes, se développant profondément dans le sol, est essentielle pour réduire des mini-glissements de terrain.

14Dans une étude récente, nous avons également suivi une composante pédologique de la stabilité des amas sédimentaires : la stabilité des agrégats du sol, dont l’influence significative dans l’explication de la sensibilité des sols à l’érosion a été montrée par Barthès et Roose (2002). Nous avons ainsi étudié l’évolution de la stabilité des agrégats (méthode Le Bissonnnais, 1996) des lits de ravines marneuses le long du gradient de végétation représenté dans la figure 3. Nous avons observé une augmentation significative de la stabilité des agrégats le long de ce gradient (fig. 4). Nous avons montré que l’augmentation de teneur en matière organique explique significativement la stabilité des agrégats, ce qui est en accord avec diverses études réalisées précédemment (Barthès et al., 1999 ; Blavet et al., 2004 ; Diallo et al., 2004). De plus, nous avons montré que les caractéristiques morphologiques des racines, telle que la diversité des diamètres racinaires favorise la stabilité de ces agrégats dans certaines conditions (Erktan et al., 2016).

Figure 2. Évolution possible de la structure verticale du couvert végétal de lits de ravines en cours de restauration.

Influence de la végétation spontanée sur la fertilité des amas sédimentaires de lits de ravines

15Nous avons étudié la teneur en matière organique, bon indicateur de la fertilité des sols, de lits de ravines érodées dans lesquels les ouvrages d’ingénierie écologique ont été construits. Nous avons observé que, neuf ans après les travaux de restauration, la teneur en matière organique atteint 21 g.kg-1, alors qu’elle est de 35 g.kg-1 dans des lits de ravines stabilisées depuis une centaine d’années (fig. 5). Nous avons par ailleurs observé que la teneur en matière organique de lits de ravines nues est de 7,4 g.kg-1 (fig. 6). Par conséquent, la teneur en matière organique augmente de l’ordre de 10 g.kg-1 durant la première décennie après construction des ouvrages. Cette forte augmentation est imputable aux apports de matière organique depuis les versants qui, contrairement aux lits, étaient déjà végétalisés avant la construction des ouvrages. La réussite de la restauration de la fertilité des lits de ravines érodés pourrait donc dépendre de la présence de végétation sur ses versants. Le suivi de l’évolution de la teneur en matière organique a également été réalisé le long du gradient de végétation présenté dans la figure 3. Cette étude a montré que la teneur en matière organique augmente significativement le long du gradient (de 10 g.kg-1 à 45 g.kg-1, Figure 6). Par ailleurs, on note une légère acidification des sols (de pH = 8,92 à pH = 8,22) le long de ce gradient, qui peut être due au développement des résineux, ainsi qu’à un début de décarbonatation (la teneur en CaCO3 diminue de 548 à 458 g.kg-1). Cette décarbonatation associée à l’augmentation de la capacité d’échange cationique (de 42 à 107 méq. kg-1) indique que la pédogenèse est enclenchée au sein des amas sédimentaires.

Figure 3. Évolution de la stabilité des agrégats le long d’un gradient de végétation, caractérisant l’évolution possible du couvert végétal durant le centenaire suivant les travaux d’ingénierie écologique (signification des pictogrammes : voir fig. 3 ; n = 15).

Figure 4. Évolution de la teneur en matière organique du sol de lits de ravines le long d’un gradient de végétation, caractérisant l’évolution possible du couvert végétal durant le centenaire suivant les travaux d’ingénierie écologique (signification des pictogrammes : voir figure 3 et T-= témoin négatif, amas sédimentaire non végétalisé ; n = 15).

Conclusions et perspectives

16La restauration des terrains ravinés par des techniques innovantes d’ingénierie écologique semble donc prometteuse. Dans cette stratégie, les lits de ravines sont la clé de voûte du processus de restauration écologique. Leur aménagement par le biais du végétal permet de recréer un milieu stable et fertile, propice au développement d’un véritable système sol-plante. Les lits de ravines peuvent donc être comparés à des petites oasis linéaires qui se développent au milieu des terrains érodés (Roose et al., 2000, 2010). Ces oasis sont à la base du basculement d’un cycle de fonctionnement de l’écosystème, caractérisé par la dégradation de celui-ci, vers un cycle vertueux permettant sa restauration écologique (fig. 7). En effet, la dégradation du couvert végétal dans les Alpes du Sud françaises avait entraîné une diminution de la stabilité et de la fertilité des sols, qui eux-mêmes influaient négativement sur le développement d’un couvert végétal. L’aménagement des lits de ravines par des ouvrages d’ingénierie écologique permet de recréer des amas sédimentaires, sur lesquels un couvert végétal peut se développer et favoriser la stabilité et la fertilité de ces sols en devenir. L’amélioration de la qualité des sols peut alors, à son tour, favoriser la croissance végétale.

Figure 5. Schéma de bilan de la stratégie d’ingénierie écologique pour la restauration des ravines érodées.

Bibliographie

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Table des illustrations

Légende Système de ravines décapant totalement la surface d’un versant marneux. Noter les recrus de pins se développant à partir du fond de la ravine de Draix.© A. Erktan.
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Légende a : ouvrages d’ingénieurie écologique au moment de leur installation, b : après une saison de végétation.© A. Erktan
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Légende Figure 1. Rétention de sédiments par les ouvrages d’ingénierie écologique durant les six premières années.Source graphique : L. Harduin.
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Légende Figure 2. Évolution possible de la structure verticale du couvert végétal de lits de ravines en cours de restauration.
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Légende Figure 3. Évolution de la stabilité des agrégats le long d’un gradient de végétation, caractérisant l’évolution possible du couvert végétal durant le centenaire suivant les travaux d’ingénierie écologique (signification des pictogrammes : voir fig. 3 ; n = 15).
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Légende Figure 4. Évolution de la teneur en matière organique du sol de lits de ravines le long d’un gradient de végétation, caractérisant l’évolution possible du couvert végétal durant le centenaire suivant les travaux d’ingénierie écologique (signification des pictogrammes : voir figure 3 et T-= témoin négatif, amas sédimentaire non végétalisé ; n = 15).
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Légende Figure 5. Schéma de bilan de la stratégie d’ingénierie écologique pour la restauration des ravines érodées.
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Auteurs

Post-doctorante, Irstea, UMR Amap Montpellier, France. amandine. erktan@gmail.com

Chercheur, Irstea, UR EMGR Écosystèmes montagnards, Saint-Martin-d’Hères, France. lauric.cecillon@irstea.fr

Forestier, chercheur, Irstea, UR EMGR Écosystèmes montagnards, Saint-Martin-d’Hères, France. freddy. rey@irstea.fr

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