system hydrodynamics An experimental approach
SIMULATION DE PLUIE AU SEIN D ’ UN PATURAGE DEGRADE EN MILIEU SUBHUMIDE D ’A FRIQUE DU S UD
Contexte. De nombreuses études ont été menées en milieu tempéré, en milieu aride et
semi-aride sur l’influence du couvert végétal sur le ruissellement et sur l’érosion. Cependant en milieu semi-humide peu d’étude ont quantifié ces paramètres. Dans le nord-est de l’Afrique du Sud, au sein de pâturages dégradés par une trop forte charge en bétail à l’hectare, une érosion hydrique forte et une forte invasion par un Acacia (Grellier et al., 2012a) ; il a été mis en évidence i) que les processus et mécanismes de l’érosion hydrique sont fortement liés aux échelles spatiales et temporelles ; ii) que les eaux de surface et de sub-surface ont un impact fort sur les ravines ; iii) que la présence d’arbres augmente l’érosion en ravine dans ce milieu ; iv) qu’il est donc important de gérer cette couverture végétale afin de préserver les pâturages indispensables à la survie des populations locales (Grellier et al., 2012b).
Question scientifique. Nous avons donc voulu comprendre l’évolution de
l’hydrodynamique et de la détachabilité en fonction du pourcentage de couvert herbacé à différents stades de dégradation d’une zone ayant alternée pâturage/culture/pâturage.
Matériels et méthodes. L’étude a été menée en Afrique du Sud dans la province du
KwaZulu Natal, proche de la ville de Bergville située en piedmont du massif du Drakensberg, celui-ci formant une grande partie du Lesotho. Nous avons travaillé au sein du bassin versant
de Potshini (28°48′40″S et 29° 21′40″E à la station météorologique). Ce petit bassin d’une
superficie approximative de 10 km2 est représentatif de celui de la Tukhela river (30 000
km2).
Le climat est subtropical humide avec un été (d’octobre à mars) pluvieux. La pluviométrie annuelle moyenne est de 684 mm, l’évaporation potentielle de 1600 mm avec une moyenne annuelle de température de 13°C (Schulze, 1997 ). L’altitude de ce bassin versant oscille entre 1200 et 1400 m au-dessus du niveau de la mer et il présente des paysages à pente douce avec une moyenne de pente de 15 % excepté en partie haute du bassin versant où les pentes atteignent de 60 à 70 % ; toutes ces zones sont consacrées au pâturage extensif de bovins. Les parties basses du bassin versant sont relativement plates (<5 %) et sont majoritairement utilisées pour les cultures vivrières (maïs principalement, pois et un peu de maraîchage) de la communauté Zouloue. La végétation est un pâturage de type « Northern KwaZulu Natal moist
Grassland » dominé par des touffes de Themeda traindra, Hyparrhenia hirta et Sporobolus africanus (Mucina and Rutherford, 2006 ). Les sols sont de texture sableuse fine issus de
roches sédimentaires, disposées en couches de grès et de schistes (King, 2002). De nombreux dykes et seuils de dolérite du Karoo ont pénétrés ces successions d’horizons et sous l’effet du climat se sont érodés en blocks arrondis de 10 à plus de 50 cm de diamètre associés à des sols
horizontaux que les agriculteurs cultivent en aménageant de petites terrasses. Certaines de ces zones sont abandonnées, utilisées comme zones de pâturage coïncidant avec une érosion forte due à l’érosion hydrique, au surpâturage et aux cheminements des animaux. L’invasion de ces pâturages par l’Acacia siberiana est de plus en plus marquée depuis le milieu des années 80 réduisant d’autant plus la surface et la qualité de ces pâturages supportant une très (trop) lourde charge en bétail (Grellier, 2011).
En partie basse d’une colline, une parcelle de 50 X 10 m placée en longueur dans le sens de la pente a été sélectionnée. Son gradient de dégradation va de surfaces nues à un couvert herbacé en touffes plus ou moins discontinu, représentatif des pâturages du bassin
versant. Six classes de dégradation de la surface du sol ont été définies et 18 parcelles d’1 m2
ont été installées dont 15 parcelles plus ou moins enherbées classées de A à E au sein de la parcelle et 3 parcelles classées F en amont sur sol érodé et totalement nu (cf. figure 2 de
l’article).
Les états de surface ont été décrits suivant les critères établis pour les sols sableux par Valentin and Bresson (1992). La rugosité du sol a été mesurée grâce à un distanciomètre laser
(391 points de mesure au m2) et à chaque point a été noté le type d’état de surface. La
végétation a été soigneusement coupée, séchée et pesée à la fin du cycle de pluie.
La compaction du sol a été mesuré à l’aide d’un pénétromètre de masse (nombre de coup d’un poids de 2.2 kg tombant de 1 m pour enfoncer un cône calibré à 10 cm et à 90 cm). La densité apparente et l’humidité ont été mesurées grâce à un cylindre pour l’épaisseur 0-10 cm du sol. Les majeurs du sol, le carbone total, le pH et la texture ont été mesuré pour chaque parcelle. Grâce à un simulateur de pluie CAPELEC CAP1700, deux pluies ont été apportées en saison
sèche à 24 h d’intervalle : 30 mm h-1 pour la première et 60 mm h-1, les deux pluies durant 30
minutes. Ces intensités sont représentatives de la région. Les paramètres mesurés au cours de ces pluies ont été la pluie d’imbibition (Pr ; mm), le coefficient (Kru ; %) et taux de
ruissellement (R ; L m-2) et la concentration en sédiment des eaux de ruissellement (SC ; g L-1).
Une analyse en composantes principales via le logiciel ADE4 a permis de décrire et de visualiser les relations entre les paramètres du sol, des états de surface et de la pluie.
Résultats. L’humidité de la surface du sol est homogène avant les pluies sur les 15
parcelles mais après le cycle de pluie, les 3 parcelles les plus enherbées sont aussi les plus « humides ». Pour la densité apparente, 3 catégories se distinguent en fonction du couvert décroissant ; ce sont les parcelles nues qui possèdent la densité apparente et la compaction les plus fortes.
Les pluies d’infiltration sont les plus importantes sur les parcelles les plus végétalisées notamment durant la première pluie. Au cours de la seconde seules les parcelles à fort couvert végétal (classe A) continuent à avoir une infiltration importante.
l’infiltration décroit rapidement au cours de la seconde pluie une fois le ruissellement débuté
convergeant vers un coefficient d’infiltration de <5 mm h-1.
La concentration en sédiment dans les eaux de ruissellement augmente en fonction de la surface d’occupation du couvert végétal mais peu de différence sont constatées entre les deux intensités de pluie exceptée pour les parcelles nues à fort taux de sédimentation (jusqu’à 60.2
g L-1).
Les pertes en terre augmentent fortement entre les parcelles de classe enherbées de classe A (0.9 g) à E (106 g) pour la première pluie puis encore plus pour la seconde pluie de 3.9 à 389 g. Les parcelles nues de classes F passent de 179 g à 1709 g pour les deux pluies.
L’analyse statistique présente en axe F1 (cf. figure 3 de l’article), les principaux facteurs les plus influents qui sont la perte en sédiment, la densité apparente et le taux de compaction. Les croûtes, la pluie d’imbibition et le taux de ruissellement sont liés plus étroitement à l’axe F2. On constate une tendance linéaire du taux de dégradation de la surface du sol de la classe A à la classe E avec certains seuils en classe C et D. La classe F est notablement différenciée par le fait de reposer sur un horizon B ; les paramètres du sol proprement dit sont donc ceux qui influencent le plus les caractéristiques hydrodynamiques et l’érosion et sont présentées séparément.
Discussion. Cette expérimentation corrobore les travaux définis dans la synthèse
de Seeger (2007); l’influence du couvert végétal sur le ruissellement et l’érosion n’est pas clairement établie. La pluie d’imbibition est fortement corrélée au coefficient de ruissellement pour les deux pluies. Le coefficient de ruissellement est en relation directe avec la présence de croûte mais pas de la végétation. Pour les parcelles A à E, le taux d’infiltration décroit
rapidement avec un maintien à 5mm h-1. Etonnamment, les parcelles F ont un taux
d’infiltration qui décroit moins que pour les autres parcelles. Les microfissures liées au phénomène de gonflement-retrait des argiles et les micro-agrégats sont plus présents que les croûtes sur cet horizon B.
Pour la deuxième pluie, Pr et Kru sont liés à la porosité du sol et donc avec les densités apparentes les plus faibles. L’infiltration décroit très rapidement vers une très faible intensité
d’infiltration (2 mm h-1) pour toutes les parcelles et cela indépendamment du couvert végétal.
La parcelle où le taux d’infiltration est le plus important est elle-même sujette à une forte et brusque décroissante de l’infiltration confirmant qu’une fois la porosité de surface fermée, le ruissellement se développe très rapidement. A noté toutefois le maintien d’une infiltration probablement liée à la présence de micro canaux des nombreuses termites observées dans cette zone qui est fortement dégradée par le passage d’animaux.
La perte en sol est importante comparée à une autre expérimentation réalisée en conditions similaires au Kenya (Snelder and Bryan, 1995). Il n’y a pas de relation importante entre le taux de ruissellement et la perte en sol. La détachabilité est liée à la présence de micro-
du couvert végétal. Cerda (1998); Greene and Hairsine (2004); Gyssels et al. (2005) ont démontré que sur du long terme, la végétation améliorait l’infiltration par augmentation de la stabilité structurale et la cohésion des agrégats. Cette relation complexe est aussi vérifiée sous simulation à l’échelle du mètre carré en milieu semi-aride au Kenya et en Mongolie. Plusieurs auteurs reprennent ces résultats pour expliquer l’effet du surpâturage dans ces milieux semi- arides. Notre étude révèle des similitudes avec une autre menée en Australie et les différences s’explique par le type de croûtes présentes sous la végétation. A l’échelle de la parcelle, les touffes d’herbes ont un fort pouvoir de piégeage des particules et la détachabilité est donc bien moindre que sur sol nu ou la saturation de la porosité et le ruissellement important génèrent une forte érosion par concentration du ruissellement.
Les résultats obtenus à l’échelle du mètre carré permettent de fournir des informations sur les facteurs et processus responsables des pertes en sols. D’après la littérature, sur le site de Potshini en conditions semi-humide la dégradation du milieu semble liée aux cheminements du bétail qui génère de l’érosion hiérarchisée et à l’existence d’anciennes parcelles cultivées et abandonnées au profit de l’élevage mais en condition de surpâturage. Cette observation est aussi valable pour une autre province méridionale d’Afrique du Sud, en Amérique latine et en Espagne.
Conclusion. Indépendamment de la biomasse végétale et de l’intensité des pluies, la
diminution de l’infiltration de l’eau dans ces zones de pâturages et d’anciennes cultures associées est notable et rapide pour toutes les parcelles. La formation des croûtes y compris en zones les plus enherbées est le paramètre majeur de réduction de l’infiltration. Quelques parcelles montrent cependant de meilleurs taux d’infiltration suggérant la présence d’une activité biologique plus forte induisant une meilleure porosité.
Il n’y pas de relation directe entre le ruissellement et le taux de pertes en terre. La dégradation du couvert végétal dans ces pâturages sous ces climats semi-humides conduit à une augmentation des pertes en terre.
Les pertes en terre sont directement liées avec la densité apparente et la compaction des sols ; une fois le premier horizon dégradé, l’horizon B plus sensible à l’érosion s’altère très vite par exportation des micro-agrégats.
Cette étude démontre que les sols dégradés par des passages d’animaux qui génèrent localement des zones compactées et les champs abandonnés avec des sols nus sont plus sensibles à l’érosion que des prairies naturelles sujettes au surpâturage.