2.1. Géologie et topographie
Le PNRL repose sur des terrains du Trias et du Jurassique formant la bordure externe du bassin sédimentaire parisien. D'est en ouest, des dépressions argileuses et des reliefs de côtes ou cuestas (de 169 m à 416 m d'altitude) alternent au sein du paysage sous forme de bandes
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orientées nord-sud, induisant des dénivelés allant parfois jusqu'à 200 mètres. Dans la partie est du PNRL se trouve essentiellement les dépressions du Pays des étangs et du Saulnois reposant sur les marnes argileuses du Keuper (Roger 2007), auxquelles s'ajoute la côte de Bride et Koeking. La présence d'inclusions salifères, de gypse et d'anhydrite dans les sédiments du Trias permet parfois la résurgence de sources salées au sein de ces marnes argileuses notamment dans le secteur de la vallée de la Seille. Dans la partie ouest du PNRL se trouve la plaine argileuse de la Woëvre, reposant essentiellement sur les marnes argileuses du Callovien et les calcaires marneux du Bathonien (Chèvremont 2004; Donsimoni 2007). Cette plaine argileuse sépare les côtes calcaires du Bajocien à l'est (côtes de Moselle) et de l'Oxfordien à l'ouest (côtes de Meuse), et au-delà des côtes, les vallées de la Moselle et de la Meuse forment les pourtours de cette partie ouest. Dans l'ensemble du PNRL, les socles géologiques marneux ou calcaires sont fréquemment recouverts de formations superficielles quaternaires telles que des limons éoliens, des alluvions ou encore des colluvions. Les dépôts de limons éoliens occupent de grandes surfaces, notamment lorsque le relief est peu accidenté, et présentent des épaisseurs variables allant de quelques décimètres à plusieurs mètres (Le Tacon 1967). Les alluvions récentes déposées du quaternaire à aujourd'hui et les alluvions anciennes déposées à la période du Néogène recouvrent les grandes vallées et les bas de pente formant des terrasses autour du lit des rivières. Selon les occupations du sol actuelles et passées, des colluvions érodées et déposées du quaternaire à aujourd'hui peuvent également recouvrir plus ou moins fortement les bas de pente et thalwegs. En effet, en cas de couvert végétal restreint, limons de plateaux et argiles de décarbonatation peuvent s'éroder au sein de ces paysages collinéens et s'accumuler dans les thalwegs et bas de pente (Brubaker et al. 1993) (Figure 20). Les sols des thalwegs et bas de pente sont alors souvent plus riches en minéraux et nutriments quel que soit l'occupation du sol (Schimel et al. 1985; Hook & Burke 2000). En retour, les formations végétales et les choix d'occupation du sol ont été et sont encore parfois aujourd'hui influencés par la topographie et les propriétés des sols (Hook & Burke 2000; Solon et al. 2007).
Figure 20. Topographie et profils de sols le long d'un flanc de colline steppique. Tiré de Schimel et al. (1985).
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2.2. Sols
Au sein du PNRL, les sols sont pour la plupart des sols bruns. Au sein des côtes et plateaux, sur socle calcaire, se trouvent principalement des sols bruns calciques, appelés calcosols ou calcisols (Baize & Girard 2009). Ces sols sont recouverts d'un mull calcique ou d'un mull eutrophe (Jabiol et al. 2007). Au sein des plaines argileuses, sur socle marneux ou marno-calcaire, ce sont des sols bruns d'origine organique, appelés brunisols (Baize & Girard 2009), qui sont le plus fréquemment rencontrés, lesquels peuvent être plus ou moins lessivés et décarbonatés. Lorsque la roche-mère est très riche en argiles (plus de 40 à 50%) et que les horizons supérieurs sont peu appauvris par le lessivage, les sols sont appelés pélosols et sont caractérisés par une faible perméabilité et une relative acidité, même sur roche-mère calcaire (Brethes 1976). En hiver, ces sols peuvent présenter une nappe perchée en raison de l'imperméabilité des argiles, tandis qu'en été, ces sols peuvent se dessécher fortement et former des fentes et crevasses en raison du retrait des argiles gonflantes. Au sein des plaines et dépressions argileuses du PNRL, les pélosols riches en nutriments mais saisonnièrement engorgés sont souvent recouverts de prairies de fauche (Mathis 2009) ou de forêts de type chênaie-charmaie (Brethes 1976). L'humus est alors de type mull eutrophe ayant pour caractéristique une décomposition rapide de la litière (Jabiol et al. 2007).
Lorsqu'ils sont surmontés par des placages de limons, les sols précédents sont plus acides, moins argileux et moins humides car plus battants (Brethes 1976). Nous pouvons alors distinguer (i) des sols bruns faiblement lessivés avec une épaisseur de limons de 20 à 40 cm surmontant les marnes argileuses, (ii) des sols bruns moyennement lessivés se développant sur des limons plus ou moins épais de 40 à 70 cm d'épaisseur, et (iii) des sols fortement lessivés ou luvisols se développant sur des limons d'épaisseur supérieure à 70 cm (Brethes 1976). Plus les sols sont lessivés, plus leur activité biologique décroît. Par conséquent, les humus passent d'eumull ou mull vrai de décomposition rapide à des humus de type mesomull, dysmull, oligomull, voire moder de décomposition beaucoup plus lente (Jabiol et al. 2007). En cas de présence permanente ou temporaire d'une nappe d'eau, ces sols bruns peuvent devenir hydromorphes et passer à des sols de type gleys à pseudo-gleys, caractérisés par une oxydo-réduction du fer.
2.3. Climat
Le climat de la Lorraine est de type semi-continental avec des influences atlantiques à l'ouest et des influences continentales à l'est (Frécaut 1983). Au sein du plateau lorrain, les moyennes annuelles de précipitation et de température sont respectivement de 714 mm et 10°C pour la période 1981-2000 (Météo France). Les précipitations s'étalent sur toute l'année, tandis que les écarts de température sont relativement grands entre hiver et été, en moyenne 1,2°C en janvier et 18,3°C en juillet au centre de la Lorraine à Nancy (Météo France). Dans l'ensemble de la Lorraine, l'élévation en altitude d'ouest en est et les vents dominants venant majoritairement de l'ouest déterminent une augmentation des précipitations annuelles, de 900 mm sur les contreforts vosgiens à parfois plus de 2000 mm sur les sommets des Vosges
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(Frécaut 1983). De par leurs saillies au sein du paysage, les plateaux calcaires peuvent présenter localement des précipitations allant jusqu'à plus de 1000 mm (Donsimoni 2007). Par ailleurs, en raison de la forte infiltration des précipitations au sein des plateaux calcaires, des sources jaillissent au pied des côtes et alimentent un important réseau hydrographique au sein des plaines argileuses. Les prairies et forêts des thalwegs et bas de pente sont alors fréquemment inondées en hiver lorsque les sols sont engorgés par les remontées de nappes et par la stagnation des précipitations au sein des sols les plus argileux et les moins perméables.