Les fondations géologiques des prairies nord-américaines

Les prairies nord-américaines, qui s'étendent des prairies à hautes herbes du Midwest aux steppes à petites herbes des Hautes Plaines, reposent sur un cadre géologique complexe qui façonne directement leurs propriétés du sol et leur productivité écologique.Ces paysages couvrent environ 3,6 millions de kilomètres carrés à travers le continent, y compris les Grandes Plaines, les Basses-Terres Centrales et des parties de l'Ouest Intermontain. La géologie de ces régions est dominée par des dépôts sédimentaires posés par les anciennes mers intérieures, suivie d'une activité glaciaire étendue pendant l'époque du Pléistocène.

Le substrat rocheux sous-jacent est constitué principalement de formations de calcaire, de schiste et de grès qui remontent aux périodes du Crétacé et du Tertiaire. Ces couches sédimentaires sont riches en carbonate de calcium et d'autres minéraux qui influencent la chimie et la fertilité du sol. Par exemple, la formation de Pierre Shale, qui sous-tend de grandes parties des Grandes Plaines du Nord, se pare de sols riches en argile, très fertiles mais sujets au compactage.

L'activité glaciaire durant le dernier âge glaciaire a laissé une empreinte profonde sur la géologie des prairies. La banquise de Laurentide a avancé et a reculé plusieurs fois, déposant des tills glaciaires, des plaines de lavage et des dépôts de loess dans les prairies du nord et du centre. Ces matériaux glaciaires ont pulvérisé le substrat rocheux en fines particules, créant des sols profonds et riches en nutriments qui sont parmi les plus productifs au monde.

Ordres des sols et leur répartition

Mollisols : Le sol phare des prairies

Les mollisols sont l'ordre dominant des sols dans les prairies nord-américaines, couvrant de vastes régions du sud du Canada au centre du Texas. Ces sols se caractérisent par un horizon de surface épais et sombre, appelé épipédon mollicique, riche en matière organique accumulée à partir de décennies de décomposition des racines des graminées. La teneur en carbone organique des Mollisols peut dépasser 3 % en poids, ce qui en fait quelques-uns des sols les plus fertiles de la Terre.

La formation de Mollisols est intimement liée à l'écosystème des prairies. Les graminées vivaces à racines profondes, comme la grosse tige bleue et la herbage à alternance, contribuent à la décomposition du sol en grande quantité. Les conditions froides et humides des prairies du Nord ralentissent la décomposition, ce qui permet l'accumulation de matière organique.

Les alfisols et leur rôle dans les zones de transition

Les alfisols se trouvent principalement dans les zones de transition entre les prairies et les forêts, en particulier dans les bordures est des Grandes Plaines et des parcs du nord des États-Unis et du Canada. Ces sols ont un horizon de surface plus clair que les Mollisols, avec un sous-sol riche en argile qui s'accumule par illuviation.

Dans les régions où les précipitations annuelles sont supérieures à 75 centimètres, la lixiviation du carbonate de calcium et l'accumulation d'argile à l'horizon B deviennent des processus importants. Ces sols nécessitent souvent des modifications de la chaux pour une production optimale, mais ils peuvent être très productifs sous une gestion appropriée. Les alfisols de la frontière prairie-forêt au Minnesota et en Iowa ont été largement convertis en production de maïs et de soja.

Aridisols et les marges sèches

Les aristols occupent les marges ouest et sud-ouest des prairies nord-américaines, où les précipitations annuelles sont inférieures à 25 centimètres. Ces sols se forment dans des milieux désertiques et semi-désertiques et se caractérisent par une faible teneur en matière organique, des accumulations de carbonate de calcium et des croûtes salines dans certaines régions.

Les couches caliques, ou horizons calciques, sont communes aux Arisisols et peuvent former des couches dures qui limitent la pénétration des racines et l'infiltration d'eau.Ces couches se développent sur des milliers d'années, car le carbonate de calcium précipite de l'eau du sol dans l'environnement aride. La présence de caliche pose des défis importants pour l'agriculture et la construction, car elle peut limiter la profondeur des racines des cultures et nécessite des équipements spéciaux de travail du sol pour la préparation du sol.

Facteurs de contrôle de la qualité et de la productivité du sol

Climat et précipitations Gradients

Le climat est le principal facteur de formation du sol dans les prairies, les précipitations exerçant la plus forte influence sur l'accumulation de matières organiques, le cycle des nutriments et l'altération des minéraux. Le gradient de précipitations entre l'est et l'ouest dans les grandes plaines, qui passe de plus de 100 centimètres par année dans l'est à moins de 30 centimètres dans l'ouest, crée un gradient correspondant dans les propriétés du sol.

Dans les prairies du Nord, les hivers froids ralentissent la décomposition et favorisent l'accumulation de matières organiques, tandis que les étés chauds des plaines du Sud accélèrent l'activité microbienne et le renouvellement des nutriments. L'interaction de la température et des précipitations crée des régions de sol distinctes, comme les sols tchernozémiques des Prairies canadiennes et les sols des Prairies rougeâtres de l'Oklahoma et du Texas.

Végétation et dynamique des racines

La végétation des prairies forme directement les propriétés du sol par la croissance des racines, l'apport de litière et le cycle des nutriments. Les systèmes de racines fibreuses profondes des graminées vivaces, qui peuvent s'étendre sur deux mètres ou plus dans le profil du sol, contribuent à la profondeur de la matière organique et créent des canaux d'infiltration de l'eau.

La composition des communautés végétales influe sur la chimie du sol. Les plantes légumineuses, comme le trèfle des prairies et la plante de plomb, fixent l'azote atmosphérique et augmentent la disponibilité d'azote du sol. Les graminées de saison froide, y compris la herbage de blé de l'Ouest et le fil à aiguilles, ont une architecture racinaire et des exigences nutritionnelles différentes de celles des graminées de saison chaude comme le peu de bluesthem et le graminée indienne.

Régimes d'incendie et cyclisme nutritif

Les incendies périodiques sont une composante naturelle et essentielle de l'écologie des prairies qui affecte directement la fertilité et la composition du sol. Historiquement, les incendies à l'éclair et ceux posés par les peuples autochtones brûlés dans les Prairies à des intervalles allant de un à cinq ans, selon l'accumulation de carburant et les conditions climatiques.

Les incendies de faible intensité entraînent généralement un chauffage minimal du sol, ce qui laisse la matière organique du sol en grande partie intacte tout en minéralisant rapidement l'azote et le phosphore. Au fil du temps, les incendies fréquents peuvent entraîner des pertes d'azote par volatilisation, bien que cela soit souvent compensé par la fixation biologique de l'azote des légumineuses et des bactéries du sol vivant en liberté.

Topographie et développement de Catena

Dans les prairies en pente, les sols situés sur des terres en amont ont tendance à être plus minces et plus grossiers, tandis que ceux situés dans des régions basses accumulent des particules fines et des matières organiques provenant de sources en amont. Ce modèle, connu sous le nom de catène, crée une mosaïque de types de sols à travers des gradients topographiques même modestes.

Les marais et les voies de drainage des prairies contiennent souvent des sols à horizons de surface épais et sombres et à teneur élevée en matière organique, ce qui reflète l'accumulation d'eau et de sédiments, particulièrement productifs pour les graminées et les cultures agricoles.

Impacts humains sur les sols des prairies

Conversion en agriculture et perte de matières organiques

La transformation des prairies indigènes en terres cultivées, qui a commencé sérieusement au milieu du XIXe siècle, a eu des effets profonds et très négatifs sur les propriétés du sol. Le travail du sol perturbe les agrégats du sol, accélère la décomposition de la matière organique et augmente les taux d'érosion.

La conversion des prairies en cultures en rangées a également modifié la structure du sol, réduisant la stabilité des agrégats et augmentant la densité en vrac, ce qui nuit à l'infiltration d'eau, réduit la pénétration des racines et augmente le ruissellement et l'érosion de surface.

Gestion du pâturage et santé des sols

Le pâturage par le bétail est l'utilisation la plus répandue des terres dans les prairies nord-américaines restantes, ce qui affecte les propriétés du sol par le piétinement, la redistribution des nutriments et l'enlèvement de la végétation.

Les sols sableux sont particulièrement vulnérables au compactage et à l'érosion en période de pâturage intense, tandis que les Mollisols riches en argile peuvent supporter un pâturage modéré sans dégradation importante. Les zones riveraines des prairies sont particulièrement sensibles à la pression du pâturage, car le bétail a tendance à se concentrer près des sources d'eau et peut causer l'érosion des rives et la charge en nutriments.

Urbanisation et développement des infrastructures

L'expansion urbaine dans les régions de prairie, particulièrement autour de Denver, Dallas-Fort Worth et Kansas City, a entraîné la perte permanente de sols agricoles productifs. L'étanchéité des sols sous chaussée et des bâtiments élimine complètement les fonctions du sol, y compris l'infiltration d'eau, la séquestration du carbone et l'habitat biologique.

Les projets d'infrastructure tels que les routes, les pipelines et les installations éoliennes perturbent davantage les sols des prairies, causant souvent des compactages et une érosion pendant la construction. Bien que certains de ces impacts puissent être atténués par des pratiques de planification et de restauration prudentes, les effets à long terme sur la santé des sols demeurent importants.

Conservation et restauration des sols des prairies

Pratiques de conservation des sols

Les systèmes d'élevage sans labour et avec des sols réduits sont devenus largement adoptés dans les grandes plaines, ce qui offre des avantages importants pour le stockage des matières organiques du sol et le contrôle de l'érosion. Ces pratiques laissent des résidus de culture à la surface du sol, le protégeant de l'érosion éolienne et hydrique tout en rebâtissant progressivement les niveaux de carbone organique.

Les pratiques de culture en milieu de contour, de terraçage et de pâturage sont établies pour contrôler l'érosion de l'eau sur les terres cultivées en pente dans les régions de prairie.Ces approches structurelles ralentissent le ruissellement, augmentent l'infiltration et piègent les sédiments avant qu'ils ne quittent le champ.Le Programme de réserve de conservation (PRC), administré par l'USDA, a retiré de la production des millions d'hectares de terres cultivées hautement érodées et les a restaurés en couverture herbacée vivace, ce qui a permis d'améliorer de façon mesurable la matière organique du sol et l'habitat faunique.

Restauration des Prairies et rétablissement des sols

La restauration de la végétation des prairies indigènes sur des terres agricoles dégradées est devenue une stratégie importante pour la remise en état du sol. Le rétablissement des graminées vivaces à racines profondes peut reconstruire la matière organique du sol à des taux de 0,5 à 1,0 tonne métrique par hectare par année dans la surface de 30 centimètres de sol.

La récupération de la structure du sol dans les prairies restaurées est tout aussi importante. Les populations de vers de terre, qui sont largement absentes des terres cultivées, reviennent dans les cinq à dix ans et commencent à créer des macropores qui améliorent l'infiltration et l'aération de l'eau.

Rôle de la séquestration du carbone dans le sol

Les systèmes de racines profondes des graminées vivaces stockent le carbone bien en dessous de la couche de la charrue, où il est moins vulnérable à la décomposition que la matière organique de surface. Les pratiques de gestion qui augmentent les apports de carbone, comme l'application de compost, le pâturage par rotation géré et la conversion des terres cultivées en végétation vivace, peuvent améliorer ce stockage.

La séquestration du carbone dans les prairies est toutefois limitée dans la pratique. L'accumulation de matière organique est limitée par la capacité du sol à stabiliser le carbone par l'agrégation et l'association minérale.Une fois ce point de saturation atteint, les apports de carbone supplémentaires ne se traduiront pas par un stockage plus poussé.

Variations régionales de la géologie des prairies et des sols

La prairie aux herbes hautes

La région des prairies à herbes hautes, qui s'étend de l'est du Kansas et du Nebraska jusqu'à l'Iowa et l'Illinois jusqu'à la péninsule des Prairies de l'Indiana et de l'Ohio, est sous-exploitée par les Mollisols les plus fertiles d'Amérique du Nord. Ces sols, qui se sont développés à partir de dépôts de till glaciaire et de loess sur le calcaire et le substrat rocheux du schiste, créent des profils profonds et bien drainés avec une teneur en nutriments exceptionnelle.

Les collines Flint de l'est du Kansas, l'un des plus grands secteurs restants de prairies à herbes hautes, illustrent comment la géologie limite l'utilisation du sol. Les sols rocheux peu profonds développés à partir de calcaires à chert ont résisté au labourage, en préservant le couvert de prairies indigènes tout en limitant la productivité agricole.

La prairie à grains mixtes

La prairie à graminées mixtes occupe une large bande du centre du Canada, passant par les Dakotas, le Nebraska, et le nord du Texas, où les précipitations de 35 à 65 centimètres abritent un mélange d'espèces de graminées hautes et de graminées courtes. Les sols de cette région comprennent à la fois des Mollisols et des Arisisols, dont la teneur en matière organique est intermédiaire entre les zones humides de graminées hautes et de graminées courtes arides.

Les pratiques de jachère estivale, dans lesquelles les terres sont laissées nues pendant une saison de croissance pour stocker l'humidité, ont contribué historiquement à la perte et à l'érosion importantes de la matière organique du sol. Les systèmes de réduction des sols remplacent progressivement les rotations traditionnelles à base de jachère dans cette région.

La steppe à herbes courtes

La steppe à graminées courtes, qui s'étend de l'est du Colorado au Wyoming, traverse le Kansas occidental, le Nebraska et l'Oklahoma Panhandle au Texas et au Nouveau Mexique, est la région de prairie la plus sèche du continent. Les arisisols et les entisols dominent, avec une faible teneur en matière organique et des couches de caliches fréquentes.

La disponibilité de l'eau est la contrainte majeure dans cette région, et la gestion des sols a toujours été axée sur la maximisation de la capture et du stockage de l'humidité. L'aquifère Ogallala, qui sous-tend une grande partie de la steppe à graminées courtes, soutient une agriculture d'irrigation étendue depuis le milieu du XXe siècle, mais la baisse des niveaux d'eau oblige à revenir aux systèmes de production des terres arides.

La prairie de Palouse

La région de Palouse, dans l'est de Washington, dans le nord de l'Idaho et dans le nord-est de l'Oregon, représente un écosystème de prairie unique développé sur des dépôts de loess profonds. Ces sédiments émaillés accumulés pendant des milliers d'années à des profondeurs supérieures à 50 mètres dans certains endroits, créant des sols avec une capacité exceptionnelle de rétention d'eau et de fertilité.

Les sols du Palouse sont classés comme des Mollisols et des Alfisols, avec une teneur en matière organique de 2 à 5 pour cent dans les horizons de surface. Le climat méditerranéen de la région, avec des hivers humides et des étés secs, crée un régime d'humidité distinct qui défie les systèmes de travail du sol conventionnels.

Conclusion

La géologie et la composition des sols des prairies nord-américaines reflètent une riche histoire de soulèvement tectonique, de glaciation, de variation climatique et de succession écologique.Les Mollisols qui définissent ces paysages sont parmi les sols les plus fertiles au monde, soutenant à la fois la biodiversité indigène et la production agricole à grande échelle.

Les leçons tirées de la science des sols des prairies dépassent les limites de ces écosystèmes.Les principes de l'accumulation de matières organiques, du cycle des nutriments et de la formation de structures des sols qui opèrent dans les prairies et les steppes s'appliquent aux systèmes agricoles dans le monde entier.