5.1 Vertisols : principales caractéristiques, processus de formation et distribution

La particularité la plus caractéristique des vertisols est leur couleur noire profonde et leur fissuration saisonnière sévère lors du séchage et le gonflement lors de l’engorgement en eau (IUSS Working Group WRB, 2014). Les vertisols se développent lorsqu’une combinaison de plusieurs processus/facteurs se produit – suffisamment de pluie qui conduit à l’altération des minéraux primaires formant la roche, mais sans que ceux-ci soient rejetés à l’extérieur du profil ; l’altération conduit à la cristallisation de nouveaux minéraux argileux ; un drainage entravé, empêchant le lessivage des produits d’altération ; et des températures élevées, qui accélèrent le processus d’altération (Schaetzl et Anderson, 2009). La combinaison de ces facteurs conduit à la formation d’argiles smectiques en présence de cations basiques (Ca2+, Mg2+). Les vertisols sont caractérisés par une forte teneur en argile, représentée principalement par le groupe des minéraux phyllosilicates smectiques. Le principal minéral argileux est généralement la montmorillonite (Schaetzl et Anderson, 2009). Les vertisols se développent sur différents matériaux parentaux, notamment des roches ignées, des roches métamorphiques-sédimentaires et des matériaux alluviaux et colluviaux issus de l’altération de roches enrichies en cations basiques (Driese et al., 2003 ; Schaetzl et Anderson, 2009 ; Pal et al., 2012). En raison de leur capacité à adsorber une grande quantité d’eau dans les intercalaires des minéraux argileux, les smectites peuvent modifier considérablement leur volume. Les vertisols se trouvent généralement dans des formes de relief basses et plates, comme les plaines, les vallées, le front des chaînes de montagnes, les anciens fonds de lacs, les terrasses inférieures des rivières, etc. où existent souvent des conditions favorisant l’accumulation et la stagnation de l’eau. Pendant les périodes sèches, de larges fissures apparaissent en surface et pénètrent profondément dans le solum. Elles se remplissent de matériaux du sol en raison de glissements de terrain, d’apports éoliens, de fortes pluies, etc. Plus profondément dans le profil du sol, là où ce processus ne s’exprime pas, des slickensides apparaissent suite aux contraintes de cisaillement produites (Schaetzl et Anderson, 2009). Les slickensides apparaissent généralement entre 25 et 125 cm de profondeur et s’expriment le mieux dans les sols qui se développent sous l’effet des échanges saisonniers entre des périodes extrêmement sèches et extrêmement humides. En raison de l’interaction entre les processus de pédoturbation et de retrait-gonflement, un microrelief spécifique de dépressions et de hauteurs (gilgai) apparaît à la surface.

Le fer (Fe) et le manganèse (Mn) sont parmi les éléments les plus sensibles à l’oxydoréduction dans le sol (Cornell et Schwertmann, 2003), et leur comportement dans les vertisols est considéré comme un facteur majeur dans l’établissement de différents modèles pour la genèse et les fonctions des vertisols (Nordt et Driese, 2009). L’occurrence des vertisols dans les basses terres avec un drainage entravé détermine l’établissement de conditions réductrices dans le sol pendant les saisons humides. Les principales conditions requises pour qu’un sol devienne réducteur sont les suivantes : le sol doit être saturé en eau ; il doit contenir des tissus organiques qui peuvent être décomposés ; la population microbienne doit être présente afin d’utiliser les matières organiques comme milieu respirable ; et l’eau doit être stagnante ou se déplacer très lentement (Vepraskas et Faulkner, 2001). Une population microbienne qui respire est fondamentale pour la formation de sols réduits. Des études récentes suggèrent que les bactéries sont répandues et abondantes dans de nombreux sols et qu’elles sont adaptées pour fonctionner dans différents climats (Bazylinski, 1996 ; Konhauser, 1998 ; Fredrickson et al., 1998 ; Zachara et al., 2002). Les changements saisonniers dans les conditions d’oxydation-réduction conduisent à la formation de concrétions et de nodules de Fe-Mn, de taches de gley, etc., accompagnés de processus réducteurs dans les oxyhydroxydes de fer (van Breemen, 1988). L’alternance périodique de conditions oxydantes et réductrices dans les sols implique une mobilité accrue du Fe en raison du transfert d’électrons de la matière organique en décomposition vers le Fe3+. Lorsque des sols réduits à forte concentration en Fe2+ s’oxydent, des oxydes de Fe de valence mixte se forment souvent (Brennan et Lindsay, 1998). Un autre processus lié à la réduction/oxydation cyclique du fer dans un système ouvert est appelé ferrolyse (Brinkman, 1970 ; van Breemen, 1988). Le processus de ferrolyse est mis en avant pour expliquer la formation d’horizons de surface plus sableux et fortement acides, qui se trouvent au-dessus d’horizons plus argileux et moins acides dans les sols. Il s’agit de sols développés dans des plaines où l’engorgement saisonnier des eaux de surface est important. Il a été prouvé que, dans certaines conditions, la ferrolyse peut également avoir lieu dans les vertisols (Barbiero et al., 2010), ce qui entraîne la formation de silice amorphe et de concrétions de CaCO3. Cependant, la plupart des études récentes démontrent que la ferrolyse en tant que processus dans les sols soumis à un engorgement saisonnier est surestimée (Van Ranst et al., 2011). Au lieu de cela, des processus de translocation des argiles (Montagne et al., 2008) ou des processus géogéniques (Barbiero et al., 2010) sont proposés pour expliquer les caractéristiques pédologiques contrastées observées.

La plupart des vertisols sont considérés comme des sols jeunes formés au cours du Quaternaire, car leurs matériaux parentaux sont souvent des dépôts alluviaux du Quaternaire (Singh et al., 1998 ; Pal et al., 2006). Des études récentes utilisant différentes techniques de datation (c’est-à-dire la datation isotopique du 14C des carbonates pédogènes et non pédogènes), montrent qu’un vertisol peut se former en moins de 500 ans et que la plupart des vertisols des zones tropicales, subtropicales et plus arides sont d’âge holocène (Kovda et al., 2006 ; Pal et al., 2012). Des vertisols anciens, paléo-verticaux, formés au cours du Pliocène, sont cependant également fréquents (Nordt et al., 2004 ; Achyuthan et al., 2010).

Les vertisols se développent sous différents climats – on les trouve souvent dans les régions tropicales et subtropicales à fortes précipitations, ainsi que dans les zones subarides (Pal et al., 2012 ; IUSS Working Group WRB, 2014). Les vertisols développés dans les zones arides et semi-arides sont caractérisés par la présence d’un horizon carbonaté contenant des carbonates primaires et/ou secondaires sous forme de masses diffuses, de concrétions et de cristaux (Kovda et al., 2006 ; Nordt et Driese, 2009 ; Pal et al., 2012). Il a été démontré (Nordt et Driese, 2010a) que lorsque la précipitation annuelle moyenne (PAM) est <900 mm, la majeure partie du CaO est sous forme de CaCO3, tandis qu’à PAM >900 mm, le calcium est sous forme de cations échangeables (Ca2+) et les vertisols sont décalcifiés. La précipitation des carbonates pédogéniques entraîne une augmentation à la fois du pH et de la teneur relative en Na2+ dans le sol et dans la solution du sol. Ces cations sodiques provoquent à leur tour une dispersion des particules de smectite, qui peuvent se déplacer en profondeur. C’est la raison pour laquelle, malgré la présence de carbonates, les particules d’argile dans les vertisols sont illuviées (Pal et al., 2012).

Les vertisols et les sols ayant des propriétés verticales sont identifiés et décrits dans de nombreux pays, mais la plus grande part des vertisols dans le monde est concentrée en Inde (25%), en Australie (22%), aux États-Unis (6%), en Afrique (5%) et en Chine (4%) (Soil Survey Staff, 2003). La répartition mondiale des vertisols est présentée à la figure 5.1.1 (FAO, 2001). En Europe, les vertisols sont caractéristiques des pays méditerranéens et des Balkans (Italie, Chypre, Bulgarie, Hongrie, Roumanie, Espagne) (Tóth et al., 2008).

Figure 5.1.1. Distribution spatiale des vertisols dans le monde (FAO, 2001). Notes de cours sur les principaux sols du monde). http://www.fao.org/docrep/003/y1899e/y1899e00.htm#toc.

En Bulgarie, les vertisols sont répandus dans les basses terres et les plaines des vallées du centre et du sud du pays (Koinov et al., 1998 ; Shishkov et Kolev, 2014). Comme dans d’autres régions, le nom local pour les vertisols est indicatif de la couleur du sol – « Smolnitza » (« noir goudron »). La Bulgarie est parmi les pays européens où les vertisols sont trouvés comme un type de sol dominant (Tóth et al., 2008). La distribution des vertisols en Bulgarie est liée aux anciens plateaux pliocènes et aux anciennes terrasses quaternaires (Koinov et al., 1998). À la fin du Miocène, les lacs pliocènes se sont asséchés et les conditions marécageuses sont devenues dominantes (Koinov et al., 1998 ; Shishkov et Kolev, 2014). Cela a favorisé le développement des sols à gley, qui se sont transformés en vertisols (Ninov, 2002). Plus tard, les vertisols n’ont pas été enterrés pour former des paléosols, mais sont restés à la surface pendant le Quaternaire. L’âge des vertisols trouvés dans les différentes régions de Bulgarie est incertain (Shishkov et Kolev, 2014). Il est généralement admis que l’âge du sol est déterminé par l’âge du matériau parental de formation des roches. Plusieurs variétés de vertisols sont reconnues en Bulgarie-carbonatés, typiques, lessivés et dégradés (Shishkov et Kolev, 2014). La variété lessivée est la plus répandue.