- Nous savons que le sol alimente les plantes, mais savons-nous comment il prend forme lui-même ? La formation du sol intervient après l’interaction de cinq facteurs : le matériau parental, le climat, les organismes vivants, la topographie du terrain, et le temps de maturité, calculé sur l’échelle des temps géologiques. La diversité au sein de ces cinq facteurs explique le caractère unique et très varié des types de sols rencontrés dans le monde.
- Le sol agit comme un réservoir dans le cycle global du carbone, car il permet de stocker la matière organique en décomposition. Mais la déforestation, certaines pratiques agricoles et le réchauffement climatique rejettent du carbone dans l’atmosphère et les océans sous forme de dioxyde de carbone, entrainant un déséquilibre des budgets carbone au niveau mondial.
- Les sols des zones tropicales et le pergélisol sont ceux qui absorbent et stockent le plus de carbone parmi tous les autres biomes, faisant d’eux des priorités en matière de conservation et de recherche pour les solutions climatiques.
- Le reboisement des anciennes forêts est une solution viable pour réinjecter du carbone dans le sol, mais il ne s’agit pas d’une solution miracle. Modifier les pratiques agricoles industrielles et veiller à la conservation des aires à grande capacité de stockage de carbone sont les étapes clés pour une meilleure exploitation du stockage du carbone dans le sol.
Nous savons que les sols alimentent les plantes, et que les plantes nous alimentent, mais les sols font bien plus que nous nourrir. Les sols recyclent les nutriments, régulent les flux d’eau et, point important en ce moment historique : ils stockent une quantité de carbone plus importante que les plantes, les animaux et l’atmosphère combinés. Par conséquent, concentrer nos efforts de restauration sur les sols pourrait être une pièce essentielle du puzzle dans la lutte contre le changement climatique.
« Tout semble indiquer que le changement climatique en cours entraine une diminution de la séquestration de carbone par les écosystèmes », a déclaré Daniela Cusack, professeure adjointe à l’université d’État du Colorado et spécialiste en biochimie des sols tropicaux. Il est donc très important que « nous restaurions le cheminement naturel du carbone dans le sol ».
Mais, que savons-nous au juste sur les sols ? Comment se forment-ils ? Comment se dégradent-ils ? Et ensuite, comment se restaurent-ils ? Et quelle contribution peuvent-ils apporter aux écosystèmes et à l’humanité ? Intéressons-nous plus précisément à ce qui se passe sous terre pour comprendre comment une approche axée sur les sols pourrait répondre aux problèmes du réchauffement.
Les fondamentaux : connaitre le sol et ses constituants
La formation du sol intervient après l’interaction de cinq facteurs : le matériau parental, le climat, les organismes vivants, la topographie du terrain, et le temps de maturité, calculé sur l’échelle des temps géologiques.
Le sol prend forme quand les roches se fragmentent lors du processus appelé altération. Les roches peuvent éclater lors des périodes d’alternance chaud-froid ou par le processus d’abrasion (vent, eau ou gel). Les roches peuvent être altérées par l’action chimique des acides produits par les microbes et les plantes, ou quand l’eau et l’oxygène interagissent avec les minéraux.
Les produits de l’altération des minéraux sont appelés matériaux parentaux par les scientifiques. Les minéraux issus des roches, comme le magnésium et le fer, ou les matières organiques, comme les végétaux en décomposition, peuvent interagir avec l’environnement et deviennent alors le précurseur du sol. Le matériau parental du sol prend forme à partir de la roche déjà en place juste au-dessous de lui ou peut également être déplacé d’un endroit à un autre par l’action de l’eau ou du vent. Le matériau parental peut avoir de multiples origines, et il est crucial de bien les identifier pour comprendre l’historique d’un sol.
Le climat est aussi un facteur déterminant dans la formation du sol. L’étude de la température et du niveau des précipitations sur de vastes zones permet de déterminer l’apparition de l’altération. Les sols des environnements chauds et humides, comme ceux des forêts tropicales par exemple, comptent parmi les plus altérés du monde. Cette altération sévère est essentiellement due au climat.
« Les sols tropicaux ont dû attendre longtemps avant que le processus d’altération ne prenne place, car à la différence des systèmes tempérés, ils n’ont pas connu l’ère glaciaire qui a raclé le sol au moment du retrait des glaciers », a expliqué Daniela Cusack à Mongabay. De nombreux sols tropicaux n’ont jamais connu de périodes de gel. Ils comptent parmi les sols les plus altérés et les plus profonds sur terre.
En outre, le climat joue un rôle important sur la répartition par région des espèces de plantes et d’animaux. Ces organismes vivants, autre facteur, influent également sur la formation du sol au cours de leur vie, mais également au-delà. Les plantes absorbent et libèrent les nutriments dans le sol, tandis que les animaux comme les vers de terre et les fourmis creusent des terriers, et créent ainsi des passages pour la circulation de l’air, de l’eau et des nutriments. Quand les organismes vivants meurent, ils se transforment en matière organique, principalement en carbone, par l’action des microbes. Une partie de ce carbone s’accumule dans le sol et interagit avec les minéraux développés à partir du matériau parental pour donner naissance au sol.
La topographie de la région, ou le type de paysage, peut accélérer ou ralentir le phénomène d’altération. La topographie joue un rôle sur l’endroit où les plantes vont pousser et sur la manière dont l’eau circule à travers le paysage. Elle aide également à déterminer le lieu où le matériau parental se développe et où les roches restent à l’abri de l’érosion.
En observant le matériau parental, le climat, les organismes vivants et la topographie à l’échelle du temps, le dernier facteur, on s’aperçoit que la formation du sol combine les processus de destruction et de synthèse. Ces cinq éléments de formation du sol agissent simultanément et indépendamment sur une très longue durée, créant ainsi une mosaïque de types de sols avec des historiques et des caractéristiques uniques.
Pour comprendre toutes les nuances existantes, les chercheurs se sont tout d’abord intéressés aux différentes couches souterraines du sol, appelées les horizons. Chaque horizon a sa propre histoire sur terre et suggère comment les cinq facteurs de formation du sol ont interagi dans cette zone dans le passé.
Chaque sol est composé d’une séquence d’horizons, comme des couches dans un gâteau. L’alignement vertical de ces horizons est appelé profil de sol. Les scientifiques se sont penchés sur ces derniers pour analyser les horizons et étudier leurs caractéristiques, à savoir ce qui donne au sol sa texture, ce qui permet de préserver sa structure, et ce qui l’aide à rester en vie : les particules minérales, la matière organique, l’eau, l’air et les microbes. Les types et les proportions de ces caractéristiques nous renseignent sur l’évolution du sol dans son environnement (par exemple, ce qui peut y être cultivé ou la quantité de carbone qu’il peut contenir).
Les particules de sable, de limon et d’argile dérivées des matériaux parentaux forment le squelette du sol, offrant un milieu solide dans lequel l’eau, l’air et les microbes peuvent exister et circuler. Si les minéraux argileux sont les plus petites particules, ils jouent toutefois un rôle important dans le fonctionnement du sol. Ce sont comme de minuscules flocons ou feuillets composés de multiples facettes qui peuvent happer les nutriments, l’eau et le carbone, tels des aimants. Leur capacité à absorber le carbone est l’une des raisons pour lesquelles les sols non perturbés peuvent stocker autant de carbone pendant si longtemps.
Le sol et son rôle dans le cycle du carbone
Comprendre le fonctionnement du sol et sa composition est essentiel pour comprendre le cycle global du carbone, et le changement climatique. Le devenir de la matière organique dans le sol, par exemple, sera de connecter les sols à la fois à l’atmosphère et aux océans (autres importants puits de carbone). Mais quel est le lien entre le dioxyde de carbone et le carbone stocké dans le sol ?
Pour répondre à cette question, nous nous sommes intéressés au royaume des plantes. Lorsque les plantes fabriquent leur propre alimentation par le processus de la photosynthèse, elles agissent comme des pailles, absorbant le CO2 contenu dans l’atmosphère et le transformant en bois, en racines et en feuilles.
« Ce sont les plantes qui fixent le carbone dans le sol en premier », a expliqué Daniela Cusack. Les arbres, en particulier, absorbent des quantités importantes de dioxyde de carbone dans l’atmosphère et servent de tampons naturels au réchauffement climatique dû aux gaz à effet de serre.
Lorsque les plantes, ou des parties de plantes, et autres organismes meurent, ils se transforment en matières organiques. Les microbes contenus dans le sol libèrent des enzymes qui décomposent ces organismes en nutriments réutilisables et en carbone organique. Une partie de ce carbone organique nourrit d’autres organismes du sol, une autre partie est stockée dans le sol et se fixe au squelette du sol, et une autre encore est libérée sous forme de dioxyde de carbone dans l’atmosphère et est ensuite absorbée par les océans, connectant le sol au cycle global du carbone.
Quand le carbone est stocké dans le sol, il est séquestré, ou emprisonné, et cela signifie qu’il peut y rester pendant des millions d’années, à condition qu’il ne soit pas gêné par des perturbations extérieures. C’est pourquoi le sol est appelé puits de carbone.
Des puits de carbone contrastés, des tropiques à l’Arctique
Selon les climats, les biomes vont stocker des quantités différentes de carbone dans le sol. « Les sols des zones tropicales et le pergélisol des régions subarctiques sont ceux qui stockent le plus de carbone, mais ils le stockent de manières très différentes », a expliqué Daniela Cusack à Mongabay. « Les sols profonds des tropiques à surface très argileuse séquestrent le carbone, et le carbone issu des racines [des plantes] est ensuite transféré [dans le sol] par le profil de sol. »
Daniela Cusack et ses collègues du Lawrence Livermore National Lab en Californie, laboratoire national du Département pour l’Énergie (DOE), utilisent la méthode de datation radiocarbone pour estimer l’âge moyen du carbone stocké dans les sols des régions tropicales. « Le carbone qui a été absorbé par les surfaces argileuses est le plus ancien, âgé d’un million d’années par endroits », a-t-elle précisé.
Dans les terres nordiques, le pergélisol est gelé depuis des milliers d’années, la biomasse végétale qui s’y est déposée ne s’est donc pas décomposée et est restée gelée, elle aussi, représentant un vaste réservoir terrestre de carbone. « La matière organique est gelée à un niveau si profond qu’il n’y a pas de renouvellement de carbone. Il est simplement gelé dans le sol », a commenté Daniela Cusack.
Le changement climatique altère les capacités de stockage du carbone dans le sol
Le changement climatique s’accélère à mesure que l’humanité rejette de grandes quantités de dioxyde de carbone et autres gaz à effet de serre dans l’atmosphère.
La déforestation massive, en particulier dans les forêts tropicales, fait disparaitre les plantes qui joue le rôle de canal entre l’atmosphère et le sol. Avec la destruction des forêts à grande échelle, le dioxyde de carbone vient s’accumuler à la place dans l’atmosphère, entrainant un déséquilibre du budget carbone mondial et impactant les schémas climatiques terrestres.
Par ailleurs, les pratiques agricoles intensives et les modifications liées à l’utilisation des terres, comme le travail du sol qui utilise des techniques agressives de labour ou perturbe le drainage des terres humides, creusent et morcèlent le profil du sol et libèrent le carbone séquestré dans le sol au niveau de l’atmosphère. Cette perturbation entraine une réaction du carbone organique avec l’oxygène, le faisant remonter de son statut stable et inerte en sous-sol vers le ciel sous forme de dioxyde de carbone.
Dans l’atmosphère, le dioxyde de carbone est lié à une hausse des températures terrestres. Le pergélisol, par exemple, est un type de sol particulièrement sensible à la chaleur. Il est actuellement en train de fondre de manière inattendue. « Le sol gelé ne fait pas que séquestrer le carbone – il assure physiquement le maintien du paysage dans son ensemble », a fait observer Merritt R. Turetsky, professeur adjoint à l’université du Colorado Boulder, dans un article publié dans Nature.
Mais aujourd’hui, « le pergélisol est en train de s’effondrer, car ses poches de glace sont en fonte. Plusieurs mètres de sol peuvent devenir instables en seulement quelques jours ou quelques semaines », a expliqué Turetsky. La fonte du pergélisol, déclenchée par le réchauffement climatique, lui-même généré par l’activité humaine, entraine aussi la libération de méthane dans l’atmosphère par les sols subarctiques et arctiques en dégel. Il s’agit d’une menace considérable pour le climat, car le méthane est beaucoup plus puissant en tant que gaz à effet de serre que le dioxyde de carbone. « Arriver à comprendre pourquoi nous en sommes arrivés là si subitement doit être une priorité dans nos recherches », a souligné Turetsky.
Pendant ce temps dans les tropiques, la quantité de dioxyde de carbone rejetée dans l’atmosphère augmente, ce qui entraine des températures en hausse, et des saisons de grande sècheresse plus nombreuses, auxquelles les forêts tropicales ne sont pas habituées. Daniela Cusack est chercheuse principale pour une nouvelle étude menée sur le long terme et visant à comprendre les impacts de la sécheresse sur les plantes et les stocks de carbone dans le sol. Pour les besoins de l’étude, son équipe a édifié des structures pour réduire les précipitations de 50 % sur une petite portion des sols des forêts tropicales. Ils ont découvert que les sites qui ont naturellement beaucoup de précipitations sont plus négativement impactés quand le niveau de précipitations est réduit, alors que les sites de sécheresse s’en sortent mieux, car ils sont déjà habitués à de telles conditions climatiques. Ainsi, ces derniers pourraient être mieux armés pour s’adapter à des longues périodes de sécheresse dans le futur.
La sécheresse a également une incidence sur l’âge du carbone dans le sol au moment de son rejet dans l’atmosphère. « Sur les parcelles expérimentales [plus sèches], on note une plus grande perte de carbone ancien dans le sol, alors que sur les parcelles de contrôle, on retrouve un carbone plus jeune plus en adéquation avec l’âge des nouvelles racines et des apports de détritus », a commenté Daniela Cusack. Cela signifie que la sécheresse accentue le rejet du carbone séquestré ou « confiné » dans l’atmosphère.
« Si cela s’avérait une sorte de généralité à travers les régions tropicales, nous devrions vraiment nous inquiéter de perdre ce carbone plus ancien », a-t-elle ajouté.
L’ABC des solutions pour le sol :
Les plus grands scientifiques s’accordent à dire qu’accroître les stocks de carbone dans le sol pourrait être la solution au dilemme climatique. La question fondamentale est : Comment contenir le carbone actuellement stocké dans les sols et y réinjecter en même temps le carbone atmosphérique ?
Le reboisement de forêts anciennes est une solution viable de lutte contre le changement climatique, car elle consiste à réinjecter du carbone dans le sol à mesure que les arbres matures développent de nouvelles pousses. « Ce sont les racines qui aident à fixer le carbone dans le sol. Mais la première étape est cruciale, il faut vraiment s’assurer d’avoir un système racinaire dense dans le sol », a insisté Daniela Cusack.
Le reboisement n’est toutefois pas une solution pour chaque biome présentant une perte de carbone. En outre, le type de reboisement est important : le reboisement par la plantation d’arbres, par exemple, n’est pas très efficace, car les arbres à croissance rapide qui sont abattus jeunes pour être transformés en papier toilette ou encore la biomasse forestière convertie en palettes de bois brûlées pour produire de l’énergie ne séquestrent pas le carbone. Il est important de retenir que les forêts ne sont pas composées d’arbres individuels, mais forment des systèmes complexes et connectés qui se développent au fil du temps. Ainsi, recréer des forêts naturelles à croissance lente pourrait être une solution au changement climatique.
Une autre solution serait de conférer un statut légal de conservation aux aires à haute capacité de stockage de carbone. Les projets comme le programme REDD+ des Nations unies agissent en ce sens en offrant un soutien économique et technique aux pays en développement et aux communautés locales pour les aider à préserver les forêts déjà existantes. La conservation des stocks de carbone dans le sol est l’objectif principal du programme REDD+, une initiative majoritairement basée sur le bénévolat et les subventions, et qui connait un certain succès dans les tropiques. Créer de nouvelles réserves protégées pour le stockage de carbone pourrait aussi être une stratégie gagnante.
Mais dans le cas de la conservation du pergélisol déjà en fonte, ni la protection des terres ni la plantation d’espèces végétales indigènes n’arrêtera l’augmentation des émissions de gaz à effet de serre. Pour le moment, réduire rapidement et efficacement les émissions de carbone au niveau planétaire semble l’unique moyen de contenir les stocks de carbone et de méthane subarctiques dans les sols.
Modifier les pratiques agricoles au niveau mondial pourrait aussi favoriser la protection des sols et augmenter considérablement la capacité de stockage du carbone dans les sols. Selon de nombreux experts, l’industrie agricole nécessite une réorganisation complète. Elle doit renoncer aux engrais synthétiques (qui détruisent l’équilibre azote et phosphore), réduire l’utilisation des pesticides (qui ravagent la biodiversité du sol), et mettre en place des pratiques durables de travail du sol sans labour, ou à faible ampleur, pour des sols plus résistants sur le long terme.
Toutefois, nous avons encore beaucoup à apprendre, et il est fondamental de mettre en place des programmes d’étude du sol correctement financés et bien structurés à l’échelle mondiale. Comprendre les origines, les caractéristiques, le fonctionnement du sol sur les différentes échelles de temps – et comment nous modifions ces paramètres – pourrait nous aider à nous réconcilier avec notre planète Terre et être une étape pivot pour une meilleure exploitation du stockage du carbone dans le sol en vue d’atténuer le changement climatique.
Restaurer l’équilibre du carbone sur terre exige des solutions à différentes échelles, et le sol est au cœur de chacune d’entre elles.
Citations:
Turetsky, M.R., Abbott, B.W., Jones, M.C., Anthony, K.W., Olefeldt, D., Schuur, E.A., Koven, C., McGuire, A.D., Grosse, G., Kuhry, P., Hugelius, G., Lawrence, D.M., Gibson, C., Sannel, A.B.K. (2019). Permafrost collapse is accelerating carbon release. Nature 569, 32-34. doi: https://doi.org/10.1038/d41586-019-01313-4
Stips, A., Macias, D., Coughlan, C. Garcia-Gorriz, E., San Liang, X. (2016). On the causal structure between CO2 and global temperature. Scientific Reports 6, 21691. https://doi.org/10.1038/srep21691
2021, May 25. UN-REDD+. https://www.un-redd.org
Image de bannière de Nestor T. via Flickr (CC BY NC 2.0)
Article original: https://news.mongabay.com/2021/08/soil-and-its-promise-as-a-climate-solution-a-primer/