Humus : définition, formation et rôle dans le sol

Pourquoi une poignée de terre forestière sent-elle bon, tient-elle l'eau et colle-t-elle aux doigts, quand un sol épuisé file entre les mains comme du sable mort ? La réponse tient dans une fraction qui pèse souvent à peine quelques pour cent de la masse : l'humus. Ce mot désigne la matière organique du sol parvenue à un stade transformé, stable, mêlée intimement à la fraction minérale. Loin d'être un simple tas de feuilles en décomposition, c'est un matériau remanié par le vivant, dont la chimie reste, encore aujourd'hui, partiellement énigmatique.

Je préviens mes étudiants dès la première séance de pédologie : confondre litière fraîche et humus, c'est confondre le bois et le terreau. La feuille morte est un point de départ. L'humus est ce qui reste quand des milliards d'organismes en ont fini avec elle.

Tout commence par un apport : feuilles, racines mortes, cadavres d'insectes, déjections. Ces résidus, riches en carbone, descendent une chaîne de démolition. Les détritivores fragmentent, les bactéries et les champignons digèrent, et au bout du parcours se joue un basculement que les pédologues nomment humification. Selon la définition retenue par les dictionnaires de sciences du sol, ce processus correspond à « la synthèse de molécules organiques stables de plus en plus grosses à partir de résidus plus simples ». Autrement dit, ce n'est pas une simple destruction : c'est une reconstruction, biologique et chimique, qui produit des composés plus durables que la matière de départ. Pour comprendre qui mène ce chantier, l'article sur les détritivores éclaire le maillon souvent oublié de cette décomposition.

Un paramètre gouverne la vitesse de l'opération : le rapport carbone sur azote, noté C/N. Quand il est bas (proche de 10), les micro-organismes disposent d'assez d'azote pour travailler vite ; quand il grimpe au-dessus de 25, la décomposition cale, faute d'azote, et la matière s'accumule en surface sans se mélanger au sol. Ce simple ratio explique pourquoi une même quantité de litière donne, ici, un riche horizon sombre, et là, un feutrage acide qui stagne.

Les pédologues classent les formes d'humus selon la façon dont la litière s'incorpore au sol. Trois grands types, repris dans la classification morpho-fonctionnelle mondiale HUMUSICA (Zanella et collaborateurs, 2018), structurent cette lecture.

Le mull est la forme la plus aboutie. Les vers de terre fouisseurs, les fourmis et la microfaune brassent la matière organique avec le minéral, si efficacement que la litière de surface disparaît en moins d'un an. Il en résulte un horizon grumeleux, sombre, bien développé, avec un rapport C/N de l'ordre de 10 à 15. C'est l'humus des sols vivants, typique des forêts feuillues sur roche-mère riche.

Le moder marque un cran de ralentissement. Les fouisseurs cèdent la place à des organismes qui travaillent surtout dans la litière (collemboles, acariens, vers épigés), si bien que des couches organiques distinctes se forment au-dessus d'un horizon minéral à peine teinté. Le C/N s'établit autour de 15 à 25.

Le mor, enfin, est un humus de blocage. Dans les milieux très froids ou sous une végétation acidifiante (résineux, landes), la faune se raréfie presque totalement, et la fragmentation revient au gel-dégel et aux champignons. La matière organique s'empile sans se mélanger, en une couverture qui peut atteindre jusqu'à un mètre d'épaisseur, avec un C/N supérieur à 25. La transition avec le sol minéral y est brutale, comme un tapis posé sur une dalle. Cette gradation entre formes d'humus prolonge directement ce que décrit l'article sur la pédologie et la formation des sols.

Au cœur de l'humus se cachent les substances humiques, des molécules complexes que la chimie classe par leur solubilité, faute de pouvoir en dresser la formule exacte. On en distingue trois fractions. Les acides fulviques sont solubles dans l'eau quel que soit le pH ; les plus mobiles, ils sont entraînés par l'eau d'infiltration. Les acides humiques sont solubles en milieu alcalin mais précipitent en milieu très acide (en dessous de pH 2). L'humine, enfin, demeure insoluble en toutes conditions : c'est la fraction la plus stable, la plus liée au sol.

Structurellement, ces composés associent des noyaux aromatiques reliés par des chaînes aliphatiques, hérissés de groupements fonctionnels acides (carboxyles, phénols). Une progression de polymérisation relie les trois fractions : des acides fulviques vers les acides humiques, puis vers les humines, les molécules grossissent (de l'ordre du millier à plusieurs centaines de milliers de daltons selon le milieu) tandis que leurs chaînes aliphatiques se raccourcissent.

Il faut le dire sans détour : la structure moléculaire précise de ces substances reste largement inconnue, malgré des décennies de recherche. Quand je présentais ce point en cours, je voyais toujours quelques visages se crisper. L'idée qu'un constituant aussi banal que la terre de jardin résiste encore à la caractérisation chimique fine a quelque chose de vertigineux. Sur ce terrain, j'avoue garder mes propres réserves quant aux modèles proposés, qui changent au gré des techniques d'analyse.

Tout cet édifice chimique a des conséquences très concrètes sur la qualité d'un sol. La première tient à ce qu'on appelle la capacité d'échange cationique, ou CEC : l'aptitude du sol à retenir les éléments nutritifs chargés positivement (calcium, magnésium, potassium) au lieu de les laisser filer avec l'eau. Chargées négativement, les substances humiques captent ces cations comme un aimant. À masse égale, la matière organique offre une CEC bien supérieure à celle des argiles communes (de l'ordre de plusieurs fois celle de la kaolinite), ce qui fait de l'humus un réservoir de fertilité.

Cette charge négative explique aussi le complexe argilo-humique, cette association entre humus et feuillets d'argile, tous deux négatifs, que des ponts calciques, magnésiens ou des composés fongiques comme la glomaline viennent souder. C'est ce mariage qui donne au sol sa structure grumeleuse, à la fois stable et aérée. La bonne santé du cycle de l'azote dépend largement de ce pouvoir de rétention.

Vient ensuite l'eau. L'humus se comporte comme une éponge : il peut retenir plusieurs fois son propre poids en eau, les acides humiques pris isolément allant, selon certaines mesures, jusqu'à une quinzaine de fois leur masse. Un sol riche en humus encaisse mieux la sécheresse et limite le ruissellement, donc l'érosion.

Le dernier rôle, et non le moindre, fait de l'humus un acteur du climat. Stabiliser du carbone organique dans le sol, c'est le soustraire à l'atmosphère. Les ordres de grandeur donnent le vertige : selon le projet SoilGrids, les sols mondiaux renfermeraient de l'ordre de 3 400 milliards de tonnes de carbone organique jusqu'à un mètre de profondeur, le Giec retenant pour sa part une fourchette plus basse (1 500 à 2 400 milliards de tonnes dans ses estimations de 1996). En France métropolitaine, les services statistiques du développement durable estiment le stock à environ 3,75 milliards de tonnes, soit en moyenne 74 tonnes de carbone par hectare, avec de fortes disparités selon l'usage (un vignoble en stocke nettement moins qu'une prairie ou une forêt).

C'est ce constat qui a fondé l'initiative 4 pour 1000, lancée par la France lors de la COP21 en 2015. Le raisonnement est arithmétique : augmenter chaque année de quatre pour mille le stock de carbone des sols mondiaux suffirait, en théorie, à compenser une part importante des émissions humaines. L'objectif vise un ordre de grandeur comparable à l'augmentation annuelle du carbone atmosphérique. Augmenter la teneur en humus n'est donc pas qu'une affaire d'agronomes : c'est un enjeu climatique, étudié de près par les approches de biochar et de séquestration dans les sols.

Reste une humilité que la pédologie impose. Former un sol prend du temps, beaucoup de temps : on estime qu'il faut de cent à mille ans pour constituer un seul centimètre de sol. Et selon les évaluations des organismes internationaux, une large part des sols de la planète est aujourd'hui dégradée par l'activité humaine. L'humus se construit à l'échelle des siècles et se détruit à celle d'une saison de labour mal conduite. C'est sans doute cela qu'il faut retenir avant tout : ce matériau discret, à la chimie insaisissable, est l'un des plus lents à reconstituer de toute la surface terrestre.

• Wikipédia, Forme d'humus
• Wikipédia, Substance humique
• Wikipédia, Acide humique
• Wikipédia, Acide fulvique
• Wikipédia, Capacité d'échange cationique
• Aquaportail, définition de l'humification
• terreom.fr, la matière organique du sol
• SupAgro, le complexe argilo-humique
• fertilisation-edu.fr, l'initiative 4 pour 1000
• Réseau Action Climat, stockage du carbone dans les sols
• SDES, sol, biodiversité et carbone
• INRAE, les sols essentiels à la vie