Abridged English version
This paper is a review of current knowledge concerning the role of vegetation in protection against surface hydric erosion.
It first explains the mechanisms of vegetation action in relation to erosion and sedimentation processes. Firstly, vegetation can protect soils against erosive factors. It can act as a hydrological catchment regulator, by intercepting raindrops and increasing water infiltration in soils. The results of this regulation are a decrease of flow quantity, concentration and yield, and thus of erosive activity. It can provide mechanical protection, by reducing the energy of raindrops and ‘splash’ effects. It can also play a role of thermal regulation, by reducing daily temperature variations. Moreover, vegetation allows soil fixation by roots. Secondly, vegetation can play a role in sedimentation by trapping and retaining some of the sediment eroded within a catchment. There is an effect of flow filtration through vegetation. These flows deposit sediment as a function of the reduction of their transport energy. Deposits created by vegetation barriers favour colonisation by vegetation and the plants of vegetation barriers can also develop on the deposited sediment, and then colonize trapped sediment. Consequently, large quantities of eroded sediment inside catchments are trapped and do not reach catchment exits.
The paper then presents the results of research carried out on the efficiency of different vegetation structures. The effect of vegetation may differ depending on plant structures, type of vegetation and soil use. Some authors state that forest is the best protection against erosion in mountain lands. Others have observed that shrubs or low vegetation can play a protective role similar to that of trees. The role of herbaceous vegetation is often denigrated, whereas it can be very efficient in fighting against erosion. For the same plant structure, the efficiency of protection against erosion may depend on the plant species, in particular on their morphology and dynamics.
Finally, this article provides elements on the significance of the rate of vegetation cover in erosion and sedimentation control highlighted by comparison between catchments with different plant covers. It is generally admitted that erosion occurs in bare zones, whereas vegetated ones are protected. Studies carried out at the catchment scale have shown that erosion decreases when plant cover increases, yet several studies have shown that the sediment yield of catchments and gullies does not vary as a linear function with plant cover. The increase of erosion is generally observed in catchments where fires or forestry operations have caused vegetation to disappear. Natural disasters such as windstorms can also lead to the renewal of erosion. On the contrary, revegetation operations and the natural installation of vegetation on eroded soils generally cause erosion to decrease.
1 Introduction
L'érosion de surface réunit tous les processus qui affectent, sur une faible profondeur, les sols, les formations superficielles et/ou le substratum géologique. Elle est ainsi essentiellement due à l'action des eaux courantes, appelée aussi « érosion hydrique », qui comprend des formes de ruissellement et de petites coulées boueuses de quelques centimètres à quelques décimètres d'épaisseur, mais elle exclut tous les grands mouvements de terrain qui peuvent avoir des profondeurs de plusieurs mètres. Elle comprend deux phases qui se succèdent : la première phase correspond à l'ablation du substrat ; la deuxième correspond au transport et au dépôt de sédiments érodés.
L'érosion hydrique de surface constitue un phénomène naturel, aux conséquences préoccupantes dans beaucoup de régions du monde (par exemple, [40]). La maı̂trise de l'érosion hydrique de surface représente alors un défi majeur sur les espaces où se localisent des enjeux socio-économiques [39]. Il est généralement admis que la végétation peut constituer un moyen de lutte efficace contre elle et il existe ainsi une grande quantité de références à ce sujet dans la littérature scientifique. Il a donc paru intéressant de faire le point sur les connaissances quant au rôle de la végétation dans la protection contre l'érosion hydrique de surface, dans diverses conditions de climat et à différentes échelles spatiales. Cet article tente de dresser un panorama général des diverses études menées dans ce domaine, en présentant d'abord les connaissances sur les mécanismes d'action de la végétation vis-à-vis des différents types de processus érosifs. Ensuite, les résultats d'investigations portant sur l'efficacité de différentes formations végétales sur l'érosion hydrique de surface sont présentés. Enfin, les résultats des recherches concernant l'importance du taux de couverture végétale sont exposés.
2 Les mécanismes d'action de la végétation
La végétation peut intervenir contre l'érosion hydrique de surface de deux manières principales : d'une part, elle peut empêcher l'ablation du substrat, d'autre part, elle peut favoriser la sédimentation, en retenant les sédiments érodés plus à l'amont.
2.1 Rôle de la végétation contre l'ablation
La végétation protège les sols de l'ablation par réduction de l'énergie des agents érosifs et maintien des sols.
2.1.1 Réduction de l'énergie de l'érosion pluviale
La végétation permet de réduire l'énergie de l'érosion pluviale en jouant un rôle d'interception des gouttes de pluie, grâce aux parties aériennes des plants. Cette interception est fonction de la densité de la surface foliaire [15] et de la structure du couvert végétal [60]. En forêt, les précipitations inférieures à 2 mm en 24 h sont presque entièrement interceptées ; au-delà, l'interception diminue lorsque l'intensité de la pluie augmente, selon une fonction logarithmique. Pour une même essence, l'interception augmente avec la densité et la surface terrière [24]. Par son couvert, la végétation joue ainsi un rôle de protection mécanique : elle permet de diminuer l'énergie cinétique des gouttes de pluie et de réduire l'effet de splash [23], surtout grâce aux litières et buissons, dont le rôle est plus important que celui de la canopée aérienne.
2.1.2 Réduction de l'énergie du ruissellement
Au sol, la végétation permet de lutter contre le ruissellement, en augmentant l'infiltration de l'eau [13]. Elle constitue pour cela un écran à la surface du sol, barrant le cheminement des filets d'eau. L'architecture individuelle des plants ou des associations de plants joue à ce titre un rôle important. De plus, la végétation améliore les propriétés physiques et chimiques des sols. C'est notamment le cas pour la végétation feuillue, considérée comme une formation végétale « améliorante » pour les sols, ou en général pour les formations végétales denses [51]. Zordia [60] précise que la pédogenèse sous forêt est plus importante que sous n'importe quelle autre formation végétale, car la biomasse, l'activité biologique et l'enracinement sont plus importants. Giordano [24] rapporte qu'un sol forestier favorise l'infiltration de l'eau dans le sol plus qu'une autre occupation du sol. Une litière forestière hétérogène et perméable peut ainsi absorber et retenir plus de 10 mm d'eau. Les sols sont plus poreux et favorisent, de ce fait, l'infiltration de l'eau. Ils sont alors à même de stocker de plus grandes quantités d'eau, jouant un rôle d'éponge, plus ou moins important selon l'état de saturation des sols. Dunne et al. [20] indiquent que le taux d'infiltration des eaux de ruissellement pour un sol dépend de la surface drainée à l'amont. Une partie de l'eau infiltrée peut ensuite être restituée sous forme de ruissellement hypodermique, mais avec un certain retard [41].
La régulation hydrologique jouée par la végétation a ainsi pour effet de diminuer la quantité, la concentration et le débit du ruissellement [14,32]. Giordano [24] rapporte qu'entre des terrains nus et une forêt, le ruissellement diminue et le temps d'écoulement de la pluie augmente jusqu'à 500 fois. Richard et Mathys [46], en faisant la comparaison entre un bassin versant dénudé et un bassin versant végétalisé, ont observé une augmentation du seuil minimal de pluie pour obtenir un ruissellement et, de ce fait, une réduction de la fréquence des crues. Les pointes de crues sont retardées d'au moins une demi-heure et réduites dans un rapport de 5 à 10. Le tarissement est également plus lent. Combes et al. [14] expliquent que, par rapport à des terrains dénudés, la forêt peut réduire d'au moins 80 % la pointe de crue et d'au moins 50 % le volume ruisselé rapidement. Elle peut tripler la rétention initiale avant le début d'un écoulement. Elle peut multiplier par cinq la capacité maximale d'infiltration pendant une crue. Il existe, cependant, des seuils d'efficacité en ce qui concerne l'hydrologie : l'influence de la forêt est moindre pour les événements pluvieux longs ou abondants [60]. En effet, une fois le sol saturé, la forêt ne joue qu'un rôle réduit dans le ruissellement. McIvor et al. [34] ont ainsi observé que, pour des pluies de plus de 100 mm en 24 h avec une intensité supérieure à 45 mm h−1, la végétation ne jouait pas un grand rôle dans la réduction du ruissellement. De plus, le rôle de la végétation est à pondérer selon la saison : en hiver en zone tempérée, et sous des espèces à feuilles caduques, son action est nettement ralentie [41].
2.1.3 Maintien des sols
La végétation permet de maintenir les sols grâce aux systèmes radiculaires. Les végétaux permettent, en effet, d'améliorer la cohésion des sols et donc de renforcer leurs propriétés mécaniques [37]. Sassa [52] explique que des racines pénétrant à 50 cm dans un sol peuvent doubler la consolidation de ce dernier. Cet effet de renforcement des sols grâce aux systèmes radiculaires a également été mis en évidence sur les berges végétalisées des cours d'eau [1].
La végétation peut aussi jouer un rôle de régulation thermique : elle permet d'atténuer les écarts quotidiens de températures, réduisant ainsi les effets de la gélifraction [50]. En particulier, la forêt peut jouer un rôle important de protection thermique : les températures maximales sous forêt sont en général inférieures de 2 à 4 °C par rapport à la campagne environnante, et les minimales supérieures de 1 à 2 °C. Stott [55] a également observé le rôle de régulation thermique joué par une végétation recouvrant des berges de cours d'eau : les températures du sol sont supérieures de près de 4 °C pour des berges végétalisées par rapport à des berges dénudées.
2.2 Rôle de la végétation en faveur de la sédimentation
La végétation peut exercer un effet favorable sur la sédimentation des particules, grâce à des processus de piégeage et de rétention d'une partie des sédiments érodés à l'intérieur d'un bassin versant. Lee et al. [33] ont montré qu'il existe un effet de filtration des écoulements au travers de la végétation. Ces écoulements déposent les sédiments par suite de la réduction de leur énergie de transport. Bien que Beuselinck et al. [8] aient montré que la végétation est davantage susceptible de piéger les sédiments fins, d'autres études [35] ont montré que les sédiments grossiers pouvaient également être piégés par des obstacles végétaux. Des dépôts ont ainsi été observés à l'amont de barrières végétales, sur des pentes plus fortes que celles sans végétation [9].
L'utilisation de haies végétales sur terrasses pour favoriser la sédimentation a souvent été testée avec succès. Les haies végétales de vétiver (Vetiveria sp.) ont notamment souvent montré leur efficacité pour le piégeage des sédiments [17]. Ce piégeage a également été observé sur les berges des cours d'eau. Les accumulations de sédiments permettent alors de renforcer la stabilité des berges [56].
La continuité de la barrière végétale apparaı̂t comme un facteur important pour l'efficacité du piégeage. Cela a été établi par :
- • Meyer et al. [35] et Bochet et al. [9], qui ont montré que la morphologie du plant est importante, c'est-à-dire que l'espèce végétale joue un rôle prépondérant ;
- • Lee et al. [33] et Roose et Bertrand [48], qui ont mis en évidence le fait que l'efficacité du piégeage augmente avec la largeur – perpendiculairement à l'écoulement – de la barrière ;
- • Abu-Zreig et al. [2], qui ont montré l'influence de la longueur – dans le sens de l'écoulement – de la barrière pour l'efficacité du piégeage.
Sur marnes, Rey [45] a observé que le piégeage de sédiments marneux peut avoir lieu grâce à l'action de barrières et de couvertures végétales constituées d'herbacées et de sous-arbustes, essentiellement dans le lit des ravines. L'auteur a également montré que, sur une zone marneuse en érosion de surface inférieure à 500 m2, un obstacle végétal recouvrant 20 % de cette zone et situé entièrement à son aval peut permettre de maı̂triser complètement la sortie de sédiments de celle-ci. Rovéra et al. [50] ont, quant à eux, pu observer un piégeage à l'amont de touffes herbacées, qui est fonction de la grosseur et de la densité des touffes. Le piégeage s'observe dès que la couverture végétale, composée d'herbacées et de ligneux bas, dépasse 50 % de recouvrement au sol, jusqu'à des pentes de 30–35°. Avec une couverture encore plus dense, le piégeage est davantage pérenne (au-delà de trois ans).
Kikuchi et Miura [29] expliquent que les atterrissements créés par les obstacles végétaux sont favorables à l'installation d'une végétation colonisatrice, qui d'ailleurs ne parvient souvent à s'installer que sur ce type de dépôts relativement stables dans les bassins versants dégradés. Les végétaux constituant l'obstacle végétal peuvent également se développer au contact des sédiments atterris arrivant au niveau de l'obstacle après chaque phase de ruissellement, colonisant ainsi les sédiments piégés. La plus grande profondeur du sol et sa plus grande infiltrabilité sont généralement évoquées. Cette dynamique végétale naturelle peut permettre d'une part de retenir durablement les sédiments piégés grâce au développement des systèmes radiculaires, d'autre part d'augmenter la capacité de piégeage des obstacles végétaux [45].
En conséquence, à l'intérieur des bassins versants, de grandes quantités de sédiments érodés sont piégées et ne rejoignent pas l'exutoire des bassins [8,19].
3 Efficacité des différentes formations végétales
L'effet de la végétation peut être différent selon les formations végétales ; il peut dépendre du type de végétation ou de l'utilisation du sol. Certains auteurs affirment que la forêt constitue la meilleure protection contre l'érosion hydrique de surface en montagne [30]. D'autres auteurs ont observé qu'une couverture arbustive ou une végétation basse peut offrir une protection similaire à celle jouée par des arbres [22]. Hill et Peart [26] ont également montré l'importance des strates végétales vis-à-vis de l'efficacité de la maı̂trise de l'érosion. Ils ont ainsi observé une érosion croissante depuis une formation arborée et arbustive, une formation arborée, une formation uniquement au sol (herbacée et sous-arbustive), une formation au sol cultivée et enfin jusqu'aux sols nus. Sur marnes, Rovéra et al. [50] ont observé l'effet modérateur du couvert végétal en fonction de sa densité et de sa structure verticale. L'érosion diminue en effet lorsqu'on passe progressivement des marnes dénudées à un couvert d'arbres isolés, puis à un couvert arbustif et herbacé, et enfin à un couvert de pins groupés.
Le rôle de la couverture herbacée est souvent dénigré, alors que, bien souvent, elle peut être très efficace pour lutter contre l'érosion hydrique de surface. L'herbe – ou le gazon – présente notamment la particularité de bien recouvrir le sol et ainsi d'offrir de bonnes possibilités de stockage d'eau en profondeur [18]. Son action peut être optimale en mélange avec une formation arborée, les arbres permettant de dessécher les couches profondes, tandis que les herbes maintiennent la couche superficielle du sol. Dans les géofaciès où les ligneux n'ont pas lieu d'être (pistes de ski), ou ceux où les arbres sont à proscrire (grands mouvements de terrain ou certaines berges de cours d'eau), l'herbe peut représenter la solution adéquate. Certains auteurs [58] ont même observé une augmentation de l'érosion sur des terrains où une couverture herbacée avait été remplacée par une couverture arbustive. Ils expliquent cela par une moindre résistance des ligneux bas au ruissellement diffus. Toutefois, on doit constater qu'en contexte torrentiel, la couverture herbacée est bien souvent insuffisante pour lutter efficacement contre l'érosion concentrée. Il apparaı̂t donc que, suivant le type de ruissellement, l'herbe ne constitue pas la meilleure solution pour lutter contre l'érosion linéaire.
Au sein d'une même strate végétale, l'efficacité de la protection contre l'érosion hydrique de surface peut donc dépendre des espèces végétales, notamment de leur morphologie et de leur dynamique [11]. En comparant l'effet de différents types de formations végétales, Sala et Calvo [51] concluent que la morphologie et la taille des végétaux sont importantes pour la maı̂trise de l'érosion, car cela détermine la formation de litière, élément qui favorise l'infiltration de l'eau.
4 Importance du taux de couverture végétale
4.1 Comparaison de terrains diversement végétalisés
L'effet de la couverture végétale sur l'érosion hydrique de surface a pu être mis en évidence par comparaison entre des terrains diversement végétalisés. Il est souvent admis que, sur un versant partiellement végétalisé, les zones dénudées peuvent être soumises à l'érosion, alors que les zones végétalisées sont protégées [43]. Des études menées à l'échelle du bassin versant ont montré qu'en général l'érosion diminue quand la couverture végétale augmente [7]. Des résultats similaires ont été obtenus sur des surfaces plus réduites, celles du versant de quelques ares par exemple [12].
On a observé que l'érosion augmentait avec le pâturage [49], responsable d'une disparition partielle de la couverture végétale et d'un tassement des sols selon leur granulométrie. Heathwaite et al. [25] expliquent qu'un pâturage intensif peut mener à une réduction de l'infiltration de l'eau dans les sols de plus de 80 %, augmentant ainsi le ruissellement d'un rapport de 1 à 12 par rapport à des terrains similaires non pâturés.
La densité de la couverture végétale permet en général de déterminer s'il y a ruissellement ou pas : jusqu'à 70 % de couverture végétale, l'eau ruisselle en grande partie ; au-delà, l'eau percole et ne ruisselle plus, sauf s'il y a saturation des sols. En dessous de 70 %, la répartition de la végétation joue un rôle : pour une même densité, une répartition homogène de la végétation permet de maintenir un ruissellement diffus, alors qu'une répartition par plaques peut favoriser la concentration du ruissellement [27].
Plusieurs études ont montré que la production sédimentaire de bassins ou de versants diversement végétalisés ne variait pas de façon linéaire avec la couverture végétale. Ainsi, Rogers et Schumm [47] ont observé, sur des versants de pente 5°, que la production sédimentaire des versants augmentait rapidement lorsqu'on passait d'une couverture végétale de 43 à 15 %, puis que la production sédimentaire variait très peu pour des valeurs de couverture végétale inférieures à 15 %. Il n'y avait donc pas de relation linéaire ou exponentielle, et 15 % apparaissait comme une valeur seuil minimale pour que la végétation joue un rôle significatif contre l'érosion. Les comparaisons des transports solides de deux bassins marneux diversement végétalisés ont également montré cette non-linéarité de l'influence du couvert forestier sur la production de sédiments aux exutoires ; on observe en effet une production spécifique annuelle de sédiments 220 fois moins importante dans un bassin versant végétalisé à 87 % que dans un bassin versant végétalisé à 32 % [46]. À l'échelle de ravines marneuses de surface inférieure à un hectare, Rey [44] a montré que la distribution spatiale de la végétation au sein de ces ravines est importante pour la réduction de la production sédimentaire à leur exutoire, en raison de l'existence de processus de piégeage des sédiments marneux par des barrières ou couvertures végétales. Des ravines de même couverture végétale totale peuvent avoir des productions sédimentaires très différentes et il est possible d'obtenir une production sédimentaire nulle à l'exutoire d'une ravine, avec seulement 33 % de couverture végétale. Une valeur de 40 % a été avancée par McIvor et al. [34] comme couverture végétale minimale à maintenir ou installer sur des terrains érodables pour une maı̂trise significative de l'érosion. Enfin, Brochot [10] rapporte des faits montrant que l'enlèvement d'un quart de la forêt sur un bassin versant peut produire des effets très différents selon le degré de morcellement de la surface concernée, ainsi que de la position topographique des zones exploitées.
4.2 Comparaisons après disparition de la couverture végétale
Une augmentation de l'érosion hydrique de surface est généralement observée dans des bassins versants végétalisés qui ont été soumis à un incendie ayant provoqué la disparition de la couverture végétale [6]. Même sur des surfaces très réduites, le feu peut découvrir le sol et le rendre sensible aux reprises d'érosion. Ce processus érosif est surtout sensible pendant les premières années qui suivent l'incendie. À la suite d'un brûlage dirigé, une augmentation de l'érosion a également pu être observée par Soto et al. [54].
Les opérations de coupe forestière peuvent également être responsables d'une augmentation de l'érosion hydrique de surface, du fait de la suppression d'une partie de la biomasse protectrice et du fait de l'impact des travaux d'exploitation sur la structure des sols. Prosser et Soufi [42] soulignent que les potentialités de reprise d'érosion sont très fortes la première année après la coupe, pour des pluies journalières dépassant 80 mm. Dans des bassins versants couverts par une forêt, Miller et al. [36] ont observé une forte recrudescence de l'érosion après une coupe rase. Ammer et al. [3] ont montré que des coupes partielles, sur 30 à 40 % de la surface des bassins versants, entraı̂naient également une augmentation de la production sédimentaire. Des effets similaires ont été observés après l'enlèvement de formations végétales diverses dans des bassins versants, à la suite d'opérations de défrichement. Toutefois, Edeso et al. [21] expliquent que l'impact des coupes forestières sur l'érosion peut être minimisé avec des pratiques sylvicoles appropriées. Lacey [31] explique que des bandes forestières horizontales de 10 m de large laissées en l'état sur un versant peuvent permettre de réduire de 95 % la production sédimentaire des terrains exploités. Keim et Schoenholtz [28] ont cependant observé que de telles bandes pouvaient parfois être inefficaces pour stopper l'érosion concentrée, initiée plus en amont. Certains auteurs expliquent d'ailleurs que, lors des exploitations forestières, ce sont surtout les ouvertures de pistes forestières qui sont responsables de l'activation de l'érosion sur les terrains érodables [16].
Les perturbations naturelles telles que les chablis peuvent également entraı̂ner une apparition de processus d'érosion [5].
4.3 Comparaisons après revégétalisation
Les travaux de revégétalisation entraı̂nent généralement une diminution de l'érosion hydrique de surface [46]. La plupart des auteurs attribuent cet effet de la végétation à l'augmentation de l'infiltration [59]. L'installation naturelle d'une couverture végétale sur des sols dégradés peut également mener à une diminution de l'érosion [38].
Toutefois, si les milieux revégétalisés permettent de réduire l'érosion par rapport à des milieux dégradés, ils ne restent cependant que des solutions intermédiaires, dont le degré de protection n'atteint pas celui offert par une végétation naturelle [4]. L'effet des plantations seules est parfois nettement limité, comme cela a pu être observé par Vacca et al. [57] dans une plantation d'eucalyptus.
5 Conclusion
Les nombreuses références bibliographiques présentées dans cet article plaident en faveur d'un rôle important joué par la végétation contre l'érosion hydrique de surface. Elles soulignent l'importance, au-delà de la simple prise en compte du couvert végétal total, de la répartition du couvert végétal sur le terrain, du type de couvert et du type d'action de la végétation sur les différents processus érosifs.
Cette efficacité de la végétation peut être mise à profit dans la lutte contre les phénomènes érosifs. Cependant, l'installation d'une couverture végétale sur des terrains érodés doit faire appel à des techniques de génie biologique (par exemple, [53]). L'efficacité de ces techniques est elle-même abondamment étudiée par la communauté scientifique.