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Terres d’altitude, terres de risque

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Georges De Noni
, 
Marc Viennot
, 
Jean Asseline
, 
et al.

Mesurer l'érosion et le ruissellement

Chapitre 7. Les résultats des simulations de pluies

Texte intégral

1La simulation de pluies permet donc d'isoler le facteur sol et d'observer son comportement sans qu'il y ait de confusions avec les autres facteurs du milieu. C'est le moyen approprié pour apprécier la naissance du ruissellement sur une placette de 1 m2. En effet, avant que le ruissellement ne se concentre et ne s'accélère au gré de l'inclinaison de la pente, il se forme en surface à mesure que le sol se dégrade et se ferme. Lorsque ces conditions sont réunies, l'intensité de la pluie dépasse alors l'intensité d'infiltration de la pluie dans le sol : il y a engorgement d'eau à la surface du sol qui est prête à ruisseler. La lutte antiérosive devra donc prendre en compte cet effet qui marque la naissance du phénomène.

Les protocoles

Situations culturales, intensités simulées et humidité du sol

2Les simulations de pluies ont été effectuées sur toutes les stations, soit directement sur les deux parcelles de ruissellement témoins, soit juste à proximité de celles-ci. Au total, et en incluant les répétitions, plusieurs centaines de pluies ont été simulées, qui se répartissent de la façon suivante :

  • 84 pluies à la station de Tumbaco sur 15 microparcelles et 143 pluies sur 27 microparcelles de cangahua situées à quelques centaines de mètres à l'ouest de cette station ;
  • 70 pluies à la station de Mojanda, sur 20 microparcelles ;
  • 119 pluies à la station de Riobamba, sur 32 microparcelles ;
  • 148 pluies à la station de Jadan, sur 33 microparcelles ;
  • 143 pluies à la station de Vega Grande, sur 34 microparcelles ;
  • 104 pluies à la station de Ventanas, sur 24 microparcelles.

Les principes de collecte mis en œuvre sur les parcelles expérimentales sont également appliqués lors des simulations de pluies. La petite parcelle de 1 m2 est équipée d'un canal de collecte de l'eau de ruissellement puis des opérateurs effectuent les mesures des flux. Les bacs de décantation ne sont pas nécessaires car les ruissellements produits sur 1 m2 sont faibles et facilement mesurables manuellement.

3Ont été retenues des situations culturales qui reproduisent sur chaque station l'effet du travail du sol, reproductible sur 1 m2 :

  • le « labour ancien », qui correspond à l'état du sol sur la parcelle de ruissellement témoin plantée. Le labour initial a été légèrement « rafraîchi » jusqu'à 20 cm de profondeur à l'aide de la houe locale, qui est l'outil couramment utilisé et qui donne au sol un aspect motteux moyen à grossier ;
  • le « premier labour », qui reproduit les conditions d'un labour récent sur défriche. Dans tous les cas, le sol était couvert initialement soit par du pâturage soit par de la végétation herbacée. Après sarclage, le labour avec enfouissement des résidus est réalisé manuellement jusqu'à 20 cm de profondeur, ce qui donne un état de surface motteux grossier ;
  • le « sol nu », qui correspond à l'état du sol sur la parcelle témoin non plantée. Les mottes ont été brisées et réduites au cours du temps à des agrégats inférieurs à 1 cm et la surface du sol a été ratissée dans le sens de la pente.

4Nous nous sommes basés, pour le choix et la durée des intensités de pluies à reproduire artificiellement, sur l'analyse des pluies naturelles observées sur les stations de Tumbaco, Cangahua, Mojanda et Riobamba, qui faisaient ressortir l'action de l'IM 30, conventionnellement retenue, mais aussi celle de l'IM 15. Pour pouvoir comparer les essais entre eux, nous avons donc appliqué une même hauteur d'eau de 15 mm par essai, quelle que soit l'intensité, ce qui donne : pour l'IM 30, une intensité de 30 mm h-1 durant 30 minutes ; et pour l'IM 15, une intensité de 60 mm h-1 durant 15 minutes.

5Dans l'optique de tester les limites supérieures de résistance du sol en fonction des différentes situations retenues dans le protocole, une intensité encore plus forte, correspondant à une intensité maximale durant 10 minutes (IM 10), a été introduite. Pour une hauteur d'eau de 15 mm, l'IM 10 est équivalente à 90 mm fr-1 durant 10 minutes.

6Enfin, nous avons adopté une séquence pluviométrique permettant de reproduire le rôle tenu par l'état d'humidité du sol. Pour cela, chaque pluie d'une intensité donnée est répétée au moins trois fois pour toutes les situations – sur sol sec, sur sol humide et très humide.

7Une première pluie est réalisée sur un sol qui n'a pas reçu de pluie depuis au moins 10 jours et dans quelques cas rares depuis 5 à 6 jours. On reproduit ainsi l'état d'un sol se trouvant dans des conditions sèches, relativement proches de celles rencontrées en période estivale lors des orages d'été. Selon les stations, l'état d'humidité du sol au champ est compris entre 10 % et 20 %.

8Une seconde pluie est simulée une heure environ après la précédente, reproduisant un état d'humidité à saturation du sol que l'on trouve dans la réalité lorsque la période pluvieuse est déjà bien avancée (humidité comprise entre 25 % et 30 %).

9Et une troisième pluie intervient enfin, après une période de ressuyage qui dure en moyenne 24 heures, avec des périodes extrêmes comprises entre 20 et 30 heures. Elle conduit à un état d'humidité du sol comparable à un début de période pluvieuse (humidité comprise entre 15 % et 25 %).

10Lorsque les essais comportent ainsi 3 pluies, ce qui est le cas le plus courant, la pluie n° 2 représente l'état d'humidité maximale. Dans quelques autres cas, plus de 3 pluies ont été réalisées pour tester les limites de résistance du matériau à leurs énergies. Dans ces essais, les pluies postérieures à la pluie n° 3 (on a simulé jusqu'à 10 pluies consécutives) sont réalisées toutes les heures en moyenne. Dans ce cas, l'état d'humidité maximale ne correspond plus à la pluie n° 2 mais à la dernière pluie.

11Dans la pratique, pour évaluer l'état d'humectation du sol, des échantillons sont prélevés, avant chaque simulation, sur 10 cm de profondeur environ. Ils sont ensuite séchés à l'étuve à une température de 105 °C pendant au moins 24 heures.

Les données retenues

12Les données retenues correspondent aux processus majeurs qui interviennent au cours d'une averse simulée et qui se décomposent en quatre phases bien distinctes (fig. 23) (Collinet, 1988 ; Lafforgue, 1977).

13La première est une phase d'imbibition qui correspond à la hauteur de la pluie qui tombe sur la parcelle sans provoquer de ruissellement. Elle se produit en début d'essai et sa hauteur est variable selon les sites. Elle exprime un double processus : un processus majeur qui traduit l'infiltration d'une grande partie de l'eau de pluie dans le sol et un autre processus, variable selon les sites, qui dépend de la capacité de l'eau à pouvoir s'accumuler dans les petites dépressions superficielles (flaques) dont la taille est fonction de la rugosité ou du microrelief de la microparcelle. En tous points de la parcelle, hormis là où les petites dépressions de surface, si elles existent, peuvent retenir un peu d'eau, la capacité d'infiltration du sol est supérieure à l'intensité de pluie. Puis, au fur et à mesure que la surface du sol s'humecte, l'eau de pluie finit par ne plus pouvoir être absorbée, il y a refus à l'infiltration et c'est le début du ruissellement.

Fig. 23 — Hydrogramme théorique de ruissellement pour une pluie d'intensité constante (d'après LAFFORGUE, 1977)

14La seconde phase est à régime transitoire et correspond à l'augmentation progressive du ruissellement, en filets et en nappes, et à la diminution corrélative de la capacité d'infiltration du sol. L'humidité du sol augmente, l'impact des gouttes de pluie pulvérise les agrégats, les pores du sol se colmatent et les flaques débordent hors des microdépressions superficielles.

15La troisième phase est à régime permanent et elle est atteinte à condition que l'essai dure suffisamment longtemps. Elle traduit un équilibre entre le ruissellement et l'infiltration. L'intensité de ruissellement se stabilise à son niveau le plus élevé jusqu'à la fin de l'averse, tandis que l'intensité d'infiltration est minimale.

16Une phase de vidange survient enfin lorsque l'on arrête l'essai et que la pluie cesse. Le ruissellement, tout en se poursuivant, diminue fortement d'intensité avant de s'arrêter définitivement. L'eau qui ruisselle provient de la vidange des petites dépressions superficielles (détention superficielle récupérable). La partie de l'eau qui ne peut s'évacuer finit par s'infiltrer dans le sol.

17Durant ces phases et en fonction des objectifs poursuivis, les variables explicatives suivantes ont été retenues :

  • la pluie d'imbibition (Pi), exprimée en mm. Elle correspond à la phase d'imbibition de l'eau de pluie par le sol. Elle se situe systématiquement en début d'essai et exprime la hauteur d'eau qui s'infiltre dans le sol sans produire d'écoulement superficiel ;
  • le ruissellement, exprimé en mm h-1. Il est mesuré au cours des essais à partir de prélèvements d'eau effectués à des pas de temps réguliers à l'exutoire de la microparcelle. Seule sera utilisée ici l'intensité maximale qui caractérise la valeur la plus forte du ruissellement en régime permanent (Rmax) ;
  • l'intensité minimale d'infiltration (Fn), en mm H-1. Elle représente la capacité du sol à infiltrer lorsqu'il est proche de la saturation. Cette valeur est obtenue également durant la phase de régime permanent. Durant cette phase, un régime d'équilibre s'établit entre le ruissellement et l'infiltration tant que l'intensité n'est pas modifiée. En conséquence, connaissant l'intensité (I) qui est constante et après avoir mesuré le ruissellement maximal (Rmax), on peut déduire la valeur de Fn en régime permanent considérant que : I = Rmax + Fn. Des variables utilisées, c'est la seule qui soit obtenue de manière dérivée par le calcul. Considérant cette manière de calculer Fn dans un état proche de la saturation, on peut dire que cette valeur traduit une intensité d'infiltration sous gradient de charge hydraulique unitaire qui est assimilable à la conductivité hydraulique ou coefficient de Darcy en sol saturé (Hillel, 1974) ;
  • les charges exportées en suspension dans l'eau, exprimées en kg ha-1. Elles indiquent, dans le contexte de l'expérimentation, la partie de l'érosion due au détachement des agrégats de sol sous l'impact des gouttes de pluie (effet " splash " ou détachabilité1).

Les résultats des simulations de pluies

L'effet « situation culturale »

18Sur la figure 24, on a reporté, à titre d'exemple, les valeurs de Rmax et de charges mesurées sur un sol humide dans les situations culturales suivantes : premier labour, ancien labour et sol nu, avec IM 15 = 60 mm h-1. On remarque que, quelles que soient les stations, le premier labour, symbolisé par un carré, présente les valeurs les plus proches de l'abscisse et en conséquence les plus faibles. Pour la variable Rmax, les valeurs des stations de Jadan et de Vega Grande sont situées sur l'abscisse, ce qui les distingue des trois autres stations. Pour la variable « charges », les carrés représentant le premier labour sont tous collés sur l'axe de l'abscisse, sauf Riobamba qui s'en détache très légèrement. Il n'y a pas eu à Ventanas de simulation de pluie sur la situation premier labour. On remarque néanmoins que la situation ancien labour est localisée sur l'abscisse pour les deux variables considérées, ce qui la distingue de l'ensemble des autres stations.

19La rugosité de surface des trois situations est un facteur explicatif de premier ordre pour apprécier les différences observées.

20Leur rugosité initiale se caractérise de la façon suivante :

  • le premier labour présente 80 % de mottes supérieures à 5 cm, en général de 10 à 20 cm, et 20 % de mottes entre 1 et 5 cm ;
  • l'ancien labour a 70 % de mottes comprises entre 1 et 5 cm, 20 % de mottes inférieures à 1 cm et 10 % de mottes supérieures à 10 cm ;
  • le sol nu présente 80 % de mottes inférieures à 1 cm et 20 % de mottes comprises entre 1 et 5 cm.

Fig. 24 — Variation de Rmax h-1 et des charges par station et par situation culturale

21En outre, par rapport à ce schéma moyen, on note quelques points particuliers :

  • à Tumbaco, les mottes se distinguent par leur résistance et montrent des efflorescences blanchâtres de carbonate de calcium. Rappelons que cette station se situe dans un environnement de cangahua dont l'induration est due essentiellement à la présence de ce carbonate ;
  • à Jadan, le labour présente en surface de nombreux éclats de schiste. La pierrosité de surface a été évaluée en même temps qu'on procédait à la mesure de la taille des mottes, elle est de l'ordre de 30 % ;
  • à Riobamba, le sol est sablo-ponceux et peu cohérent. La majorité des mottes est comprise entre 1 et 10 cm et moins de 1 cm. La différence entre le premier et l'ancien labour est difficilement perceptible. La faiblesse de l'agrégation de ce sol est due d'une part au pourcentage d'argile, de l'ordre de 3 %, qui est le plus bas de toutes les stations, et d'autre part au taux moyen de matière organique, de l'ordre de 1,4 % alors que sur les autres stations, il est compris entre 2,5 % et 2,9 %,
  • Vega Grande et Ventanas se distinguent par la présence de fentes de retrait avant le labour. Ces fentes sont effacées en surface par le labour mais persistent en profondeur.

22Pour observer si ces comportements changent lorsque le sol est proche de l'état de saturation, situation qui se produit généralement dans la nature après plusieurs jours de pluie, la variable Fn (intensité minimale d'infiltration en mm h-1) a été utilisée. En effet, elle permet d'apprécier la capacité minimale du sol à infiltrer lorsque ce dernier est saturé et que le ruissellement a atteint son régime permanent, considérant que l'eau trouve toujours une voie pour s'infiltrer, si minime soit-elle.

23On a exprimé par des graphes les valeurs de Fn en fonction des intensités de pluie pour chacune des trois situations. Parmi tous les graphes construits, on a pris l'exemple des stations de Mojanda (fig. 25) et de Vega Grande (fig. 26) parce qu'elles représentent les deux principaux domaines pédologiques nous intéressant, sol volcanique ou andosol de la Sierra du Nord pour l'une, et sol vertique de la Sierra du Sud pour l'autre.

Fig 25 — Infiltration minimale (Fn) en fonction de l'intensité et de l'ordre des pluies (Mojanda)

Fig. 26 — Infiltration minimale (Fn) en fonction de l'intensité et de l'ordre des pluies (Vega Grande)

24À Mojanda, le comportement correspondant aux trois situations culturales est représenté sur le graphe par trois droites distinctes. Les points correspondent aux mesures effectuées à différentes valeurs d'intensités. Pour chaque intensité, plusieurs pluies ont été réalisées pour saturer progressivement le sol afin d'atteindre ou de se rapprocher le plus d'une valeur constante de Fn. Sur le graphe, une flèche noire indique les différentes pluies simulées par intensité selon un ordre croissant, depuis la première pluie jusqu'à la dernière.

25La droite de plus forte pente recoupe les points (carrés noirs) qui expriment le comportement de Fn en situation de premier labour. Dans ce cas, hormis un léger décalage pour la pluie de plus forte intensité (IM 10), toute l'eau s'infiltre et l'on peut considérer que Fn = I. L'ordre des pluies n'intervient pas : quelle que soit l'intensité, les pluies sont regroupées sans différence particulière.

26La seconde droite se rapporte à l'ancien labour indiqué par des carrés blancs. Elle se distingue de la droite du premier labour par une pente moins forte qui traduit les variations des valeurs de Fn. L'ordre des pluies intervient dans ce cas. Ce sont les dernières pluies, où les valeurs de Fn sont les plus faibles et considérées comme constantes, qui ont servi de points pour tracer la droite. Seule une partie de l'eau s'infiltre et les valeurs de Fn augmentent proportionnellement à la valeur de l'intensité de pluie et à l'ordre des pluies.

27Enfin, une troisième droite de pente nulle, parallèle à l'axe de l'abscisse, exprime ces mêmes variations sur la situation de sol nu. Ce comportement traduit que les valeurs de Fn restent constantes pour toutes les intensités correspondant à la dernière pluie simulée et que le ruissellement reste actif puisque les valeurs de Fn sont supérieures à 0.

28À Vega Grande, comme précédemment, les valeurs les plus basses de Fn considérées comme constantes, qui ont servi à tracer les droites, correspondent aux dernières pluies simulées. Le graphe construit est proche de celui de Mojanda. En effet, on distingue également trois droites représentant le comportement de chacune des situations étudiées. La droite à la plus forte pente unit les points qui représentent le premier labour, où globalement comme à Mojanda Fn = I, puis vient celle qui souligne le comportement de Fn sur ancien labour et enfin on retrouve une droite légèrement inclinée par rapport à l'abscisse pour les valeurs de Fn sur sol nu.

29Dans un état de sol saturé, à Mojanda comme à Vega Grande, ressort le bon comportement du premier labour par rapport aux autres situations. En outre, la pente de la droite représentant l'ancien labour et le sol nu est plus forte à Vega Grande, ce qui traduit des valeurs plus élevées de Fn et corrélativement un ruissellement plus faible. Cela laisse supposer qu'il existe une différence de comportement entre l'andosol de Mojanda et le sol non volcanique de Vega Grande. Cet aspect sera traité par la suite dans la partie consacrée à l'effet sol.

30De ce type de graphe on peut déterminer aussi, par lecture directe, le seuil d'intensité de pluie minimale nécessaire à l'apparition du ruissellement, quelle que soit la durée de la pluie (Lafforgue, 1977 ; Valentin, 1985). Ce seuil correspond au point d'intersection entre les droites « ancien labour », « sol nu » et « premier labour ». Cette lecture directe sur les graphes 25 et 26 donne les informations suivantes : pour le labour ancien, 15 mm h-1 à Mojanda et 30 mm h-1 à Vega Grande ; pour le sol nu, 10 mm h-1 sur les deux stations. Ces données représentent assez bien ce qui se passe sur les autres stations à la lecture des graphes correspondants : pour le labour ancien, de 15 mm h-1 à 20 mm h-1 sur les sols andiques et le ranker de Jadan ; pour le sol nu, de l'ordre de 10 mm h-1 sur les sols andiques de Tumbaco et le ranker de Jadan, 18 mm h-1 sur l'andosol de Riobamba. Seul se distingue le sol vertique profond de Ventanas, où les valeurs sont égales à 0 pour le labour ancien et à 30 mm h-1 pour le sol nu.

31En synthèse, en prenant en compte des variables telles Rmax, et Fn, voire Pi, qui définissent la dynamique de l'eau dans et sur le sol, il ressort par rapport aux trois situations étudiées et quelle que soit la station que le premier labour présente un comportement très peu érodible. Sa rugosité de surface, associée à une stabilité de surface peu dégradée et à la présence de racines non décomposées, le distingue nettement des autres situations et lui confère une capacité d'infiltrabilité et une disponibilité à rester ouvert plus élevées et corrélativement, une susceptibilité plus faible au ruissellement.

32Le test le plus révélateur a consisté à essayer de saturer le sol pour obtenir des valeurs constantes de Fn. Dans ces conditions extrêmes de protocole où le sol est très vulnérable à la pluie, le premier labour est le seul cas où Fn = intensité de la pluie.

33On peut regretter de ne pas avoir de données issues de la station de Ventanas dans le cas du premier labour, pour des raisons techniques liées à un mauvais fonctionnement momentané de l'appareil durant les essais. On peut penser que ce sol vertique profond, qui se comporte positivement en situation d'ancien labour, présente un comportement tout aussi remarquable en situation de premier labour.

34Pour les deux autres situations, comme on pouvait s'y attendre, le sol est d'autant plus sensible aux gouttes de pluie que l'état d'humidité tend vers la saturation et que l'intensité de la pluie est plus élevée. L'ordre de succession des pluies intervient également nettement. Les valeurs constantes de Fn sont obtenues avec la dernière pluie alors que le ruissellement continue de croître en fonction de l'augmentation de l'intensité qui entraîne une forte atténuation de la rugosité superficielle, allant jusqu'à la fermeture du sol. À ce stade, le sol nu et lisse est plus vulnérable que l'ancien labour.

35Enfin, comme le montre la figure 24, l'effet situation culturale est nettement marqué au niveau des pertes en terre. Elles sont maximales sur sol nu puis sur ancien labour. Elles sont quasi inexistantes dans le cas du premier labour.

36Plus les mottes sont grosses, plus le sol reste ouvert longtemps, plus il infiltre l'eau et moins il s'érode. En ce sens le premier labour, compte tenu de ses caractéristiques hydrodynamiques particulières et de sa faible susceptibilité au ruissellement, perd très peu de terre.

L'effet sol

37Pour apprécier l'effet sol, nous avons poursuivi notre analyse dans le même esprit en nous intéressant prioritairement aux données obtenues dans les conditions extrêmes de saturation du sol par la succession de plusieurs pluies. Seules les situations ancien labour et sol nu ont été retenues du fait que le premier labour se distingue par un comportement remarquable où Fn = I.

38Pour chaque station, on a élaboré une nouvelle série de graphes se rapportant à chacune de ces deux situations pour établir les variations de Fn en fonction de l'ordre des pluies et de l'humidité du sol. Une intensité de pluie constante, IM 15 = 60 mm h-1 a été choisie. Les pluies simulées sont placées en abscisse dans l'ordre de succession dans lequel elles ont été réalisées. La double ordonnée indique d'une part, à gauche, les valeurs de Fn et des intensités de pluies et d'autre part, à droite, les valeurs d'humidité du sol. À titre d'exemple nous avons reproduit ici le graphe de la station de Jadan (fig. 27).

Fig. 27 — Variation de Fn en fonction de l'ordre des pluies et de l'humidité du sol (Jadan). Pluies d'intensité de 60 mm h-1, sol nu et ancien labour

Fig. 28 — Variation de Fn en fonction de l'ordre des pluies et de l'humidité du sol sur les sept stations. Pluies d'intensité de 60 mm h-1, sol nu

39Ce graphe montre que les valeurs de Fn continuent à diminuer indépendamment des valeurs d'humidité qui ont atteint un seuil limite dès la deuxième pluie. Dans ce cas, on peut admettre que l'état d'humidité du sol n'intervient pas dans le processus observé et et que les valeurs de Fn, qui traduisent des variations du mouvement de l'eau de haut en bas, sont dépendantes de l'évolution de l'état de surface du sol et de sa capacité à rester ouvert et à infiltrer une certaine quantité d'eau. À ce stade de la formation du ruissellement, l'énergie libérée par la pluie a un impact majeur sur la dégradation des états de surface et sur le bilan infiltration-ruissellement.

40Pour pouvoir comparer, par rapport à ces mêmes variables, le comportement des sols de toutes les stations, on a regroupé les données sur un seul graphe (fig. 28).

41Ce graphe est construit comme le précédent : pour une pluie d'intensité constante (IM 15 = 60 mm h-1) ont été indiquées en abscisse la succession des pluies et en ordonnée les valeurs de Fn et d'intensité de la pluie. Afin de pouvoir apprécier au mieux l'effet sol, nous avons retenu seulement la situation du sol nu afin d'éliminer la perturbation introduite par le travail du sol dans le cas de l'ancien labour. Pour faciliter la lecture de ce graphe, les valeurs d'humidité n'ont pas été prises en compte, elles sont supposées constantes. Deux groupes en ressortent :

  • en haut du graphe, un premier groupe associe les sols vertiques de Ventanas et Vega Grande. Légèrement décalé se trouve le ranker de Jadan. Selon les travaux de Poesen (1987 b) et de Casenave et Valentin (1989), si la surface du sol contient des graviers ou des fragments de roches, ces derniers protègent le sol contre le splash des gouttes de pluies et permettent le maintien d'une certaine macroporosité sous-jacente. Dans ce cas, leur influence est positive sur l'infiltration, comme nous l'avons observé à Jadan. En revanche, lorsque ces éléments sont inclus dans les croûtes de sédimentation ou de battance, on observe une augmentation du ruissellement ;
  • en bas du graphe apparaît un second groupe composé par les andosols des stations de Riobamba, Mojanda et Tumbaco.
  • 2 Par rapport aux résultats obtenus sur parcelles de ruissellement (tabl. X), l'érosion est plus éle (...)

42Les valeurs de Fn sont plus élevées et celles de Rmax plus faibles dans le premier groupe. Selon notre hypothèse, ces variations à humidité constante traduisent l'influence des réaménagements des états de surface. Autrement dit, les sols du premier groupe ruissellent moins et infiltrent plus parce qu'ils se ferment plus lentement. En comparaison, les sols andiques du second groupe se ferment plus rapidement, ce qui exprime une plus forte sensibilité à la détachabilité et à l'exportation des particules de sol hors de la microparcelle. Dans ce cas, la donnée « charges » est la variable qui illustre le mieux les variations observées. Le graphe de la figure 29 met en évidence l'exportation des charges (kg ha-1) pour les trois états hydriques et pour les IM 30 et 60, les IM 90 des stations volcaniques n'étant pas disponibles. Les sols andiques se distinguent par des pertes en terre plus élevées, qui peuvent atteindre des valeurs comprises entre 4 t ha-1 et 9 t ha-1 : le site de Riobamba est le plus érodible2, il est suivi par celui de Mojanda. Par comparaison, les sols non andiques perdent moins de terre et le sol de Ventanas se distingue par une remarquable stabilité quels que soient les essais.

43L'effet sol est donc réel. La présence de fentes avant saturation du sol et une pierrosité élevée sont des facteurs importants qui distinguent les sols vertiques du Sud des sols volcaniques de la Sierra du Nord, et qui influent fortement sur leur capacité d'infiltration. La texture est un autre facteur à examiner. Différents essais de régression ont été menés entre les charges exportées, variable qui traduit le mieux les réaménagements de surface, et les variables disponibles se rapportant aux constituants du sol (texture, matière organique) et à leur densité apparente. La meilleure corrélation obtenue correspond à l'argile, qui explique dans tous les cas 80 % des variations de l'érosion, significative au seuil de 1 %. Autrement dit, plus le sol est argileux, plus il est résistant à l'impact des gouttes de pluie.

Fig. 29 — Simulation de pluies sur sol nu. Variation des charges (kg ha-1) en fonction de l'état d'humidité préalable et de l'intensité de pluie (I, mm h-1)

44La figure 30 présente des régressions exprimant les essais menés avec IM 15 = 60 mm h-1, pour les trois situations, sur sol humide – r2 est compris entre 0,79 et 0,89 – et sur sol très humide – r2 est compris entre 0,81 et 0,88.

Fig. 30 — Régressions entre charges (kg ha-1) et argile (%). I= 60 mm h-1

45Ces valeurs démontrent le rôle essentiel de l'argile dans le processus de naissance du ruissellement par rapport aux autres variables. Son taux plus élevé dans les sols vertiques est un critère significatif qui participe aux différences de comportement relevées sous pluies simulées entre ces sols et les andosols.

L'érodibilité des andosols

46Les mesures effectuées sous pluies naturelles et sous pluies simulées apportent des éléments de réponses utiles à la compréhension de l'érosion accélérée dans les Andes de la Sierra et à la lutte contre ce phénomène. Ces deux approches s'avèrent très complémentaires parce qu'elles permettent d'apprécier les deux processus essentiels qui interviennent dans la dynamique de l'érosion – la détachabilité grâce à la simulation de pluies et l'érosion linéaire grâce aux parcelles de ruissellement.

47Par ailleurs, la simulation de pluie permet d'isoler un effet « sol » indépendamment de l'effet « pente » qui n'est pas significatif sur une microparcelle de 1 m2. En comparaison, cet effet « pente » est pris en compte par les parcelles expérimentales dont les longueurs de pente sont comprises entre 20 et 50 m. Enfin, il est possible dans quelques cas de comparer leurs résultats respectifs.

Tabl. XII — Synthèse des résultats des parcelles de ruissellement et des simulations de pluies

48Ce schéma, organisé en fonction de la pente du versant, indique l'apport de chacune des deux expérimentations. La simulation de pluie permet d'étudier la naissance du ruissellement qui est à l'origine de l'érosion accélérée, elle se place à « l'amont » du schéma. Les données recueillies mettent en évidence le rôle de l'argile dans la résistance du sol à la détachabilité et à l'énergie des gouttes de pluie : le seuil d'intensité minimale de pluie requise pour déclencher le ruissellement sur sol nu est compris entre 10 et 30 mm h-1 sur les sols vertiques et le ranker argileux et entre 10 et 18 mm h-1 sur les sols andiques.

49Une fois le ruissellement amorcé, l'érosion linéaire prend le relais et se développe sur le versant. Les parcelles de ruissellement ont permis de préciser son action. Au-delà de 15 % de pente, l'énergie du ruissellement devient supérieure à celle des gouttes de pluie. L'érosion n'est plus alors fonction de l'intensité de la pluie mais de la pente, dont les variations d'inclinaison expliquent au moins 60 % de celles de l'érosion. Ce résultat a pu être amélioré par le calcul d'une régression multiple où sont associées les variables « pente », « argile » et « densité apparente » : on parvient ainsi à expliquer plus de 90 % de la variance. L'association de ces trois variables traduit l'action de l'érosion linéaire aux dépens des agrégats du sol dont l'entraînement sur le versant est d'autant plus facile qu'ils sont peu denses et donc sensibles à la flottaison. L'absence de sélectivité texturale notée dans les sédiments érodés renforce cette hypothèse. Pour les sols andiques, le seuil de déclenchement de l'érosion linéaire nécessite une pluie d'intensité minimale de 20 à 30 mm h-1 pour l'IM 15 et de 15 à 20 mm h-1 pour l'IM 30. Faute de séries de données homogènes, ce seuil n'a pu être déterminé pour les sols non volcaniques des autres stations.

50Le fait d'utiliser la variable « argile » dans deux régressions qui tentent d'expliquer, pour l'une, la résistance du sol à l'énergie de la pluie et, pour l'autre, la vulnérabilité du sol à l'énergie du ruissellement ne semble pas contradictoire, dans la mesure où les processus mis en cause interviennent à des niveaux différents. Dans un cas, plus les particules de sol sont agrégées par l'argile et plus le sol résiste à l'impact de la pluie ; dans l'autre cas, l'argile n'est plus considérée comme un élément de résistance à la pluie car plus la pente croît, plus l'énergie du ruissellement favorise l'érosion, moins cette dernière est sélective et plus le sol est décapé sous forme d'agrégats.

51Néanmoins, ces deux processus ont une incidence l'un par rapport à l'autre, dans la mesure où plus un sol est agrégé et résistant à la détachabilité, et plus le seuil de déclenchement du ruissellement est retardé.

52Les sols des stations de Jadan, Vega Grande et Ventanas démontrent une sensibilité à l'érosion plus faible que les sols andiques des stations de Tumbaco, Cangahua, Mojanda et Riobamba, notamment lorsque ces derniers sont mis en culture. Autrement dit, dans l'hypothèse de conditions de pente et d'agressivité climatique égales, un secteur mis en culture dans le grand bassin de Guayllabamba ou de Pastaza présentera des risques d'érosion accélérée plus élevés qu'un secteur également cultivé dans les bassins de Santiago, Guayas ou Catamayo.

53En général, l'andosol est considéré comme un sol résistant à l'érosion en conditions naturelles. En revanche, lorsqu'il est cultivé, sa capacité de rétention de l'eau diminue et son comportement physique se modifie radicalement. À l'état sec, il perd sa consistance et devient facilement friable et pulvérulent en raison d'un processus de déshydratation irréversible. Colmet-Daage et al., 1967-1969, Quantin (1992 b), Albrecht et al. (1992) ont observé ce processus sur des andosols des Antilles, du Nicaragua, d'Équateur et des Nouvelles-Hébrides. En laboratoire, des essais menés pendant plusieurs mois par Colmet-Daage pour réhumecter un échantillon d'andosol séché à l'air n'ont pas abouti. Pour lui, la présence de fortes quantités d'eau dans l'andosol permet le maintien d'une structure distendue qui s'effondre lorsque survient une dessication poussée à l'air. Pour Quantin (1994), le retournement et l'ameublissement par le labour d'une tranche de sol de 0,20 à 0,30 m d'épaisseur sont suffisants pour provoquer la dessication du sol et sa déshydratation irréversible. La texture se comporte alors comme un pseudo-sable très sensible à l'érosion. D'autres travaux montrent que ce processus peut agir négativement sur la fertilité chimique du sol. Par exemple Sherman et al. (1964) ont remarqué une diminution sensible de la valeur de capacité d'échange mesurée sur andosol séché à l'air par rapport à celle mesurée sur sol humide, de l'ordre de 30 % à 90 %.

54Sur le sol nu, dont le comportement a été étudié sur les parcelles de ruissellement et sous pluies simulées, les résultats montrent que les pertes en eau et en terre sont toujours plus élevées que sur sol labouré et planté. Ce constat est d'autant plus préoccupant que chaque année, au cours du cycle cultural, le sol est nu dans la période située entre la récolte et avant que le semis ne lève. Sur sol nu, les pertes en terre par détachabilité atteignent des valeurs élevées, par exemple à Riobamba, où les pluies simulées ont provoqué une érosion de l'ordre de 6 000 à 9 000 kg ha-1, avec IM 15 = 60 mm h-1 sur sol humide et très humide. On relève la même dynamique sur les parcelles de ruissellement où l'érosion linéaire a provoqué des pertes en terre moyennes comprises entre 50 et 130 t ha-1. Les valeurs les plus basses ont été enregistrées à Cangahua et à Ventanas, avec respectivement 50 et 60 t ha-1 ce qui représente tout de même une érosion importante : si on suppose une densité apparente moyenne des sols secs de l'ordre de 1, une tonne de matériaux érodés par hectare et par an est équivalente à une lame de sol érodée de 0,1 mm, soit une lame de 5 mm pour une érosion de 50 t ha-1 à Cangahua et de 6 mm pour une érosion de 60 t ha-1 à Ventanas, avec des précipitations plus de trois fois plus élevées sur le sol vertique de Ventanas qu'à Cangahua.

55Compte tenu de ces résultats, la lutte antiérosive devra donc s'attacher à :

  • améliorer l'infiltration de l'eau par le travail du sol, afin de retarder la naissance du ruissellement. L'ancien labour est plus vulnérable que le premier labour, notamment sur sol nu lorsque le semis n'a pas encore levé ;
  • agir sur la pente du versant, par des ouvrages permettant de dissiper l'énergie du ruissellement et de retarder ou, mieux, d'éviter la concentration des filets d'eau, lorsqu'il y a refus du sol à infiltrer et mise en mouvement de la nappe d'eau en surface.

Notes

1 Pour rappel, la placette de 1 m2 utilisée lors des simulations de pluies est trop petite pour que soit pris en compte l'effet de la pente sur l'énergie du ruissellement.

2 Par rapport aux résultats obtenus sur parcelles de ruissellement (tabl. X), l'érosion est plus élevée sous pluies simulées à Riobamba que sur les autres stations. Le fait de simuler une pluie d'intensité plus élevée que les pluies naturelles est un élément qui doit également être pris en considération.

Table des illustrations

Légende Les principes de collecte mis en œuvre sur les parcelles expérimentales sont également appliqués lors des simulations de pluies. La petite parcelle de 1 m2 est équipée d'un canal de collecte de l'eau de ruissellement puis des opérateurs effectuent les mesures des flux. Les bacs de décantation ne sont pas nécessaires car les ruissellements produits sur 1 m2 sont faibles et facilement mesurables manuellement.
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Légende Fig. 23 — Hydrogramme théorique de ruissellement pour une pluie d'intensité constante (d'après LAFFORGUE, 1977)
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Légende Fig. 24 — Variation de Rmax h-1 et des charges par station et par situation culturale
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Légende Fig 25 — Infiltration minimale (Fn) en fonction de l'intensité et de l'ordre des pluies (Mojanda)
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Légende Fig. 26 — Infiltration minimale (Fn) en fonction de l'intensité et de l'ordre des pluies (Vega Grande)
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Légende Fig. 27 — Variation de Fn en fonction de l'ordre des pluies et de l'humidité du sol (Jadan). Pluies d'intensité de 60 mm h-1, sol nu et ancien labour
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Légende Fig. 28 — Variation de Fn en fonction de l'ordre des pluies et de l'humidité du sol sur les sept stations. Pluies d'intensité de 60 mm h-1, sol nu
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Légende Fig. 29 — Simulation de pluies sur sol nu. Variation des charges (kg ha-1) en fonction de l'état d'humidité préalable et de l'intensité de pluie (I, mm h-1)
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/8389/img-8.jpg
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Légende Fig. 30 — Régressions entre charges (kg ha-1) et argile (%). I= 60 mm h-1
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/8389/img-9.jpg
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Légende Tabl. XII — Synthèse des résultats des parcelles de ruissellement et des simulations de pluies
URL http://books.openedition.org/irdeditions/docannexe/image/8389/img-10.jpg
Fichier image/jpeg, 229k

© IRD Éditions, 2001

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