Les sols des páramos Andins : changement d’usage et dégradation, conséquences sur l’érosion et sur la dynamique de l’eau
Extrait de la Lettre du Changement global n°19 - Programme International Géosphère Biosphère (IGBP) - Programme Mondial de Recherches sur le Climat (WCRP) - Programme International «Dimensions Humaines» (IHDP) - Diversitas - Earth System Science Partnership (ESSP)

Les sols des páramos andins : un rôle d’éponge dans le cycle de l’eau

La fonction hydrologique des paramos
Dans les Andes centrales et septentrionales (Colombie, Equateur), l’étage alpin des cordillères, localement dénommé páramo, est situé entre les neiges permanentes (vers 4 800 m d’altitude) et la forêt andine (vers 3 500 m d’altitude) (figure 1). Ce milieu d’altitude qui couvre plus de 25 000 km² en Colombie et en Equateur, jouit d’une très importante biodiversité floristique. Il est largement dominé par de hautes graminées en touffes (Stipa sp., Calamagrostis sp.) (figure 2) et localement par des rosettes géantes (Espeltia sp.) (figure 3). Cet écosystème est considéré comme une «éponge» permettant le stockage d’eau et la régulation des flux hydriques vers l’aval. Une large part de l’alimentation en eau des systèmes d’irrigation des versants et des cultures intensives des vallées (horticulture sous serre), en eau potable des villes du couloir inter-andin et des barrages hydro-électriques dépend des entrées et du cycle de l’eau dans les hautes terres.

La fonction agricole des paramos
Or, les páramos, longtemps milieu marginal de production agricole, sont aujourd’hui pour une part intégrés à l’espace agricole. La croissance démographique d’une part et les différentes réformes agraires d’autre part ont conduit les populations des versants à occuper et utiliser de plus en plus les espaces de hautes altitudes. Ainsi, les páramos doivent assumer une fonction de production alimentaire pour une population de plus en plus nombreuse mais avec des rendements en forte baisse lorsque l’altitude s’accroît.

Deux fonctions contradictoires ?
Ces deux fonctions des páramos (hydrologique et agricole) apparaissent pour une part en contradiction. Les changements d’usage de ces espaces de hautes altitudes semblent en effet profondément perturber la fonction hydrologique en transformant le régime d’infiltration et d’érosion de ces zones avec des conséquences néfastes sur l’alimentation en eau aval.

Une équipe de chercheurs français (IRD UR SOLUTIONS - Université de Savoie UMR CARRTEL) étudie depuis plusieurs années les propriétés hydriques exceptionnelles des sols volcaniques de ces páramos et les modifications de comportement hydro-érosifs qui font suite aux changements d’usage.

Les sols des páramos sur cendres volcaniques : des propriétés hydriques exceptionnelles fortement reliées à la pédogenèse

Deux facteurs majeurs expliquent cette fonction hydrologique essentielle des páramos :

• le climat spécifique de cet étage altitudinal contribue à une faible évapotranspiration et donc à un bilan hydrique Précipitation-Evapotranspiration largement excédentaire;

• les sols dérivés de cendres volcaniques qui s’y développent (Andosols) présentent des propriétés exceptionnelles en particulier une énorme capacité de rétention en eau au sein d’une porosité très fine.

Ces sols sont en effet capables de retenir jusqu’à 3 fois leur poids sec en eau. Les études récentes ont montré que cette importante réserve hydrique dépend d’une abondante microporosité se développant au cours de la pédogenèse. Cette organisation structurale est elle-même conditionnée par l’accumulation de matières organiques (C >100 g kg^-1 de sol) qui établissent des liaisons stables avec des éléments métalliques (Al, Fe). Les stocks de carbone de ces sols sont donc parmi les plus élevés au monde pour des sols minéraux (figure 4). Cette caractéristique est due à une très faible activité de la microflore minéralisatrice (Temps Moyen de Résidence du carbone >2 000 ans à 40 cm dans la plupart des cas) et au fait que ces sols se développent fréquemment sur des dépôts de cendres volcaniques superposés et qu’ainsi leurs stocks en carbone résultent de plusieurs cycles successifs de pédogenèse récente. Le pouvoir tampon exceptionnel des sols des páramos en termes de régulation des précipitations semble largement dépendant de la dynamique des matières organiques et de leurs associations avec les éléments métalliques abondamment libérés par l’altération des verres. Il existe ainsi une relation très forte entre les propriétés hydriques des sols, leur stock en carbone et leur histoire pédo-génétique. En conséquence, les sols les plus évolués sont aussi les sols qui présentent les plus grandes capacités de rétention en eau.

Or les résultats des études montrent que ces sols sont également les plus fragiles et que la dessiccation des horizons superficiels lors des opérations agricoles (mise en culture et/ou pâturage intensif) modifie complètement l’organisation des particules et donc les propriétés de rétention en eau. La structure engendrée par la dessiccation apparaît extrêmement rigide et la dessiccation est donc en partie irréversible. L’ensemble de ces modifications est très clairement conditionné par l’ampleur de la microporosité initiale figure 5). Nos études mettent par ailleurs en évidence l’apparition de phénomènes d’hydrophobie de surface après dessiccation avec une augmentation très forte des angles de contact eau-sol au cours du séchage.

Réformes agraires et mise en usage actuelle des páramos

Comme dans toutes les régions inter-tropicales du monde, du fait de la fertilité des cendres volcaniques, la densité rurale est très forte (>150 hab km²) dans la partie Nord de l’Equateur soumise aux dépôts volcaniques. Depuis quelques décennies, on assiste en Equateur, à une colonisation progressive de cet étage d’altitude. En 1964 et 1974, deux réformes agraires furent promulguées pour obliger les grands propriétaires terriens à concéder une partie de leurs terres à leurs employés. Les grands propriétaires conservèrent majoritairement les terres des vallées et les espaces de moyennes altitudes et redistribuèrent les zones de forte pente et de haute altitude. On assista alors à une recolonisation des versants par le petit paysannat. Les surfaces octroyées ne suffisant généralement pas à nourrir une population en pleine croissance démographique, les petites exploitations agricoles paysannes (minifundio) vont peu à peu s’étendre sur les zones marginales jusqu’alors délaissées, puis coloniser les terres froides de parcours jusqu’à 4 000 m d’altitude

Agriculture et élevage
Cette occupation des zones hautes a conduit à deux types de mises en usage des sols :

• une remontée de la frontière agricole dans la zone de transition Forêt andine-páramos (sub-páramo). Cet espace est aujourd’hui de plus en plus utilisé pour des productions à cycle court (pommes de terre, orge, oignons fève) (figure 6) avec des temps de jachère très longs (entre 5 et 7 ans) après au maximum 2 cycles de cultures consécutifs à cause de la rétention du phosphore (et du soufre) par les complexes organo-métalliques,

• un élevage extensif dans l’essentiel de la zone des páramos proprement dit. Il est généralement associé à des brûlis afin d’obtenir des repousses de plus grande valeur nutritive et plus appétentes pour les troupeaux (figure 7).

Distribution de ces activités
Ces deux types principaux de mise en usage ont des distributions spatiales très complexes en fonction des conditions géographiques (pentes, altitude de la limite inférieure des páramos, possibilité d’accès aux zones hautes…) et des conditions humaines (structure socio-économique du paysannat, possibilité d’autofinancement, présence d’emploi dans les vallées depuis le développement de l’horticulture). Cependant, si la mise en culture des limites inférieures des páramos ne concerne que quelques régions de la Sierra équatorienne, l’élevage et le brûlis sont généralisés. Sur les 20 000 km² qu’occupent les páramos équatoriens, près de 8 000 km² seraient déjà fortement utilisés pour des activités agricoles.

Impact des activités humaines : le ruissellement favorisé au détriment de l’infiltration

L’étude des conséquences des mises en usage agricole sur le couvert végétal et sur les propriétés des sols a été menée dans une zone représentative des páramos Equatoriens soumise à une intense colonisation humaine depuis 20 ans. Le surpâturage (essentiellement ovin) conduit à une modification drastique du couvert végétal à la fois dans sa structure (fractionnement et réduction de la hauteur des mottes des grandes herbacés comme Stipa Ichu et Calamagrostis sp. et développement de larges espaces de sols nus entre les graminées) et dans sa composition (disparition dans un premier temps des espèces rasantes inter-touffes puis des grandes graminées elles-mêmes) (figure 8).

Diminution des stocks en carbone
Cette diminution de la biodiversité des espèces végétales conduit, dans les zones les plus fortement et anciennement pâturées, jusqu’à la mise à nu complète des sols dans les zones de pentes (figure 9). Les 20 premiers centimètres des Andosols de ces zones mises en usages subissent alors une intense dessiccation et une forte diminution des stocks en carbone (de 10 kg m^-2 à moins de
5 kg m^-2). Ces modifications conduisent à une altération durable des propriétés physiques avec une perte de capacités de rétention en eau (de 800 g kg^-1 à 200 g kg^-1 à -33 kPa de potentiel matriciel), une destruction de la macrostructure et le développement d’une microstructure hautement hydrophobe favorisant le ruissellement au détriment de l’infiltration.

Différents types de sols : différents comportements

Plusieurs campagnes de simulation de pluie ont été menées in situ sur des páramos à l’état naturel et après mises en usages (brûlis, pâturage, labour, jachère). Les résultats montrent que les conductivités hydrauliques à saturation des sols non perturbés sont très élevées (de l’ordre de 60 mm h^-1) et qu’elles ne varient que peu en fonction du degré d’altération. À l’inverse, après les différents types de mises en usages (brûlis, pâturages, labour), on observe :

• une augmentation drastique des lames ruisselées et des pertes en sédiments,

• de fortes différences de comportements entre les types de sols (figure 10).

Les sols les plus récents sont soumis à de fortes réorganisations superficielles avec un éclatement des agrégats sous l’effet de l’énergie cinétique des pluies (effet «splash»), une réduction importante de la rugosité de surface et la formation de croûtes à conductivité hydraulique réduite. Les coefficients de ruissellement sont alors augmentés d’un facteur 3. Les pertes en terres sont très importantes pendant le processus de formation de ces croûtes, mais réduites dès lors que celles-ci sont formées. Ce comportement est mis en relation avec les faibles stabilités structurales des agrégats de surface.

Les sols les plus évolués présentent en surface des agrégats séchés stables fortement cimentés par des constituants organiques. Ici, le tassement des sols et le développement de l’hydrophobie conduisent à de fortes réductions des conductivités hydrauliques. Parallèlement, les pertes en sédiments sont extrêmement élevées (jusqu’à plus de 1500 g m^-2) et se produisent par un phénomène original de flottation d’agrégats hydrophobes sur la lame d’eau ruisselée.

Les données disponibles à l’échelle de bassin-versants à forte activité agropastorale non maîtrisée dans leur partie amont confirment les mesures ponctuelles effectuées tant en terme d’accroissement de l’érosion (données sur le remplissage du barrage hydroélectrique du rio Paute) que d’accentuation des régimes hydrologiques extrêmes (étiages prolongée et crues intenses et rapides).

Une gestions différenciée selon l’histoire des sols

Les páramos d’Equateur soumis à une dynamique de mise en usage et d’augmentation des charges pastorales perdent en partie leurs propriétés de stockage et de régulation des flux hydriques. On constate également une augmentation drastique de l’érosion des páramos brûlés et mis en culture. Nos résultats montrent clairement que dans ce milieu, la diversité et l’histoire des sols doivent être pris en compte dans les propositions de gestion durable de l’écosystème et des ressources en eau.. Ainsi nous sommes en mesure de recommander des méthodes de gestion différenciées de ces espaces d’altitudes en fonction de la réponse du milieu face à des changements d’usages. Les zones avec les sols les plus évolués doivent être mis en défends (parc nationaux) alors qu’une activité pastorale paraît possible sans mise en danger de la fonction hydrologique (avec des charges adaptées aux milieux) dans d’autres zones dans lesquels des programmes de conservation participative peuvent être mis en place en lien avec les ONG.

En conclusion, la fragilité des sols de montagne…

Les relations que nous avons établies entre constituants organiques et propriétés hydriques mettent donc en évidence la nécessité de promouvoir des méthodes de gestion commune des réserves en carbone et en eau, toute deux exceptionnelles dans les páramos. Cette interdépendance particulièrement forte entre matières organiques, structure des sols et propriétés hydro-physiques constitue un trait commun à l’ensemble des sols de montagne. Cette caractéristique semble dès lors un élément clef pour expliquer la fragilité et la sensibilité particulière des écosystèmes de montagnes jusqu’alors peu anthropisés aux changements d’usages. L’évolution de ces interactions dans les sols de montagne soumis à des changements d’usages et à des changements climatiques et ses conséquences en terme de minéralisation et perte par dégazage de stock de carbone préalablement constitué et en terme de dynamique hydrique doit être poursuivi dans les Andes mais également dans d’autres zones de montagne (Alpes, Asie…).