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Projets financés

SPECBIO

Indicateurs spectraux de qualité biologique des sols
Responsable Scientifique: 

Bernard BARTHES

Organisme: 
IRD Montpellier, UMR Eco&Sols
Partenaires: 

Montpellier SupAgro-INRA, UMR Mistea, Montpellier / INRA, US Infosol, Orléans / INRA, UMR Bioemco, Thiverval-Grignon

Résumé: 

Il existe une demande forte des utilisateurs, des gestionnaires et des décideurs pour des outils de diagnostic et de pilotage de la qualité des sols qui soient rapides et peu coûteux à mettre en œuvre. La spectroscopie infrarouge (IR) quantitative a fait la preuve de sa capacité à prédire avec précision, rapidement et à faible coût, différentes propriétés élémentaires des sols, par exemple teneurs en carbone (C) organique, azote (N) total, argile, etc. Sa capacité à prédire des propriétés plus complexes est moins bien renseignée.

 

L'objectif du projet SpecBio était d'évaluer le potentiel de la spectroscopie IR quantitative pour caractériser la protection physique de C dans les sols et la vulnérabilité de cette protection au réchauffement. La protection physique de C dans les agrégats est l'une des formes de séquestration de C dans le sol, la plus affectée par les modes de gestion et d'usage, à côté de la récalcitrance biochimique (liée à la composition des matières organiques) et de la sorption sur les surfaces minérales (liée à la minéralogie et à la texture).

 

Deux populations de 100 échantillons de sol superficiel chacune ont été étudiées :

  • l'une provenant de France, issue du Réseau de mesures de la qualité de sols (RMQS), constituée de sols acides (Bretagne, Massif Central, Alpes, Pyrénées, etc.) ;       
  • l'autre provenant de la moitié septentrionale de la Tunisie, constituée de sols calcaires.

 

Des spectres proche IR (PIR, 1100-2500 nm) et moyen IR (MIR, 2,5 -25 µm) ont été acquis sur ces échantillons, qui ont ensuite été incubés pendant trois semaines, tamisés à 2 mm ou broyés à 0,2 mm, à 18°C ou 28°C. Ces incubations ont permis de mesurer la respiration du sol (dégagement de gaz carbonique, CO2). Le carbone protégé physiquement a été défini comme la différence entre la respiration du sol broyé et du sol tamisé. En effet, la matière organique protégée dans les agrégats de taille 0,2-2 mm est inaccessible aux microorganismes dans le sol tamisé, mais leur devient accessible quand ces agrégats sont cassés par broyage, le C initialement protégé est donc déprotégé par broyage et peut être consommé par les microorganismes du sol, d'où un surplus de respiration. La vulnérabilité de cette protection au réchauffement a été définie comme la différence entre C protégé à 18°C et à 28°C.

 

La spectroscopie quantitative requiert un étalonnage statistique des spectres (ici PIR et MIR) sur des données acquises de manière conventionnelle (ici la respiration du sol, la protection physique de C et sa vulnérabilité au réchauffement), ce qui revient à exprimer ces données en fonction des spectres. La caractérisation conventionnelle des données considérées est souvent fastidieuse et/ou coûteuse, alors que l'acquisition des spectres est rapide (< 1 min/échantillon) et peu coûteuse (pas de consommables), ce qui fait l'intérêt de la spectroscopie IR.

 

Comme anticipé, les spectres PIR et MIR permettent de prédire avec précision les teneurs en C (total, organique, inorganique) et en N total sur les deux populations d'échantillons. Ces prédictions sont très précises pour les sols tunisiens (R² ≥ 0,95 entre mesures et prédictions, sauf à partir des spectres MIR de sol tamisé à 2 mm : R² ≥ 0,84), un peu moins pour les sols français (R² = 0,77-0,91), pour les lesquels les résultats sont meilleurs en MIR (R² ≥ 0,88).

 

Les spectres PIR et MIR permettent également de prédire avec précision la respiration des échantillons tunisiens (R² ≥ 0,71) ; les prédictions les plus précises sont obtenues à partir des spectres PIR de sol broyé (R² ≥ 0,85). La protection physique de C est bien prédite dans certains cas, notamment en début d'incubation ((R² ≥ 0,65 sur 7 jours, et même R² ≥ 0,84 à partir des spectres PIR de sol broyé), moins bien en fin d'incubation, surtout à 28°C (les données sur les fins d'incubation à 28°C ne semblent pas complètement fiables). La vulnérabilité de la protection physique de C au réchauffement est mal prédite par les spectres ; la détermination conventionnelle de cette vulnérabilité résulte de la différence entre les quantités de C protégées à 18 et 28°C, elles-mêmes calculées par différence entre les respirations du sol broyé et tamisé, et est donc entachée d'une forte imprécision, qui rend difficile l'ajustement des spectres.

 

Dans le cas des échantillons français, les prédictions de la respiration à partir des spectres PIR et MIR sont décevantes en général (R² ≤ 0,71), et les prédictions de C protégé physiquement sont mauvaises (R² < 0,3). Deux hypothèses sont avancées pour expliquer ces moins bons résultats que pour la Tunisie :

- la plus grande hétérogénéité minéralogique de la population d'échantillons, compliquant l'étalonnage de leurs propriétés organiques ;

- par suite du prélèvement des échantillons sur une décennie environ (vs. sur quelques semaines en Tunisie), une hétérogénéité de l'état des communautés microbiennes du sol (formes dormantes dans certains cas) rendant moins étroite la relation entre respiration du sol et substrats organiques appréhendés par spectroscopie IR.

 

L'examen des longueurs d'ondes contribuant le plus aux prédictions permet d'identifier les composés impliqués dans les processus considérés ; il a été réalisé seulement pour les échantillons tunisiens (meilleures prédictions). Cet examen montre que la respiration du sol est favorisée par sa richesse en composés azotés (notamment protéines). La richesse en composés organiques aliphatiques (polysaccharides par exemple) favorise également la respiration, tandis que la richesse en composés aromatiques favorise la respiration seulement à 28°C ; en effet, les composés aliphatiques, relativement labiles, sont consommés plus rapidement à 28°C, et les microorganismes utilisent ensuite des composés aromatiques, plus récalcitrants. La protection physique de C apparaît également favorisée par la richesse du sol en composés aliphatiques et azotés. De plus, les prédictions utilisant les spectres PIR suggèrent une influence négative des organochlorés sur la respiration du sol et la protection de C (le groupe des organochlorés inclut de nombreux pesticides). Les prédictions utilisant les spectres MIR suggèrent également que la richesse en carbonates influence négativement la respiration du sol et la protection physique de C, et donc, que les carbonates sont peu impliqués dans l'émission de CO2 (en tout cas lors d'incubations de trois semaines).

 

Le projet SpecBio confirme l'intérêt de la spectroscopie IR quantitative pour fournir des indicateurs de qualité des sols et montre qu'elle peut même produire des informations relativement complexes (protection physique de C). Ce type d'approche a toutefois des limites : en particulier, il importe que les populations d'échantillons utilisées pour étalonner les spectres n'intègrent pas de trop forte hétérogénéité ; il importe également que les données conventionnelles utilisées pour l'étalonnage ne soient pas entachées d'une trop forte imprécision (par exemple propagation d'erreur).

Lien vers le site de l'unité de recherche

Durée du projet: 
3 ans
Etat d'avancement: 
Terminé
Subvention: 
108 000€
Les articles scientifiques et thèses :
 
  • Grinand C., Barthès B., Brunet D., Kouakoua E., Arrouays D., Jolivet C., Caria G., Bernoux M. 2012. Prediction of soil organic and inorganic carbon contents at a national scale (France) using mid-infrared reflectance spectroscopy (MIRS). European Journal of Soil Science, April, 63, 141–151.
Fichier(s) attaché(s)Mise à jourTaille
GESSOL3.1_Rapport_Final_SpecBio.pdf10/07/20131.24 Mo
GESSOL3.1_Synthese_Rapport_Final_SpecBio.pdf10/07/2013459.44 Ko
SpecBio-BARTHES-Fiche Projet.pdf28/01/2016199.89 Ko