Estimations précises des besoins en chaux dans le Massif Armoricain

2002

R.A. Viscarra Rossel, A. Pérez Hoyos et C. Walter

UMR INRA-ENSAR Sol, Agronomie, Spatialisation 65 rue de St. Brieuc, CS 84215 35042 Rennes Cedex, France

Etude et Gestion des Sols, 9(3): 197-212.

RÉSUMÉ

Cette étude évalue une approche, jusque-là peu utilisée en France, d’estimation des besoins en carbonate de calcium (BEC), fondée sur un modèle de réponse tenant compte de la mesure du pH dans la solution-tampon de Woodruff (1948) et de l’objectif de pH final visé. Douze sols cultivés ou sous prairie naturelle ont été retenus dans cette étude provenant de contextes pédoclimatiques variés du Massif armoricain et offrant une large gamme de variation de propriétés physico-chimiques : le pHH₂O varie de 4,3 à 6,7 et la teneur en carbone organique est comprise entre 1,0 et 4,4 %. Une technique d’incubation au laboratoire est utilisée pour calibrer le modèle et constitue la méthode de référence d’évaluation du BEC. Les courbes expérimentales croissantes reliant le pHCaCl₂ en fin d’incubation aux quantités de CaCO₃ initialement apportées, sont utilisées pour dériver différents niveaux de BEC selon les objectifs de pH retenus. La mesure du pH dans la solution-tampon de Woodruff (pH_tampon) est très étroitement liée au BEC déterminé par incubation, le coefficient de détermination étant de l’ordre de 0,93, ce qui justifie son emploi par la suite pour prédire de façon rapide les BEC. Un modèle régressif de surface de réponse prenant en entrée l’objectif de pH et la mesure de pHtampon est ajusté aux données expérimentales d’incubation, permettant d’évaluer le BEC de façon continue selon ces deux critères. Pour évaluer la robustesse de cette approche, un second ajustement a été établi en regroupant le jeu de données acquis sur les sols du Massif armoricain avec des données existantes pour des sols du sud-est australien. Les prédictions de ce second modèle induisent des erreurs de prédiction plus importantes que le modèle issu des seules données du Massif armoricain, mais sont du même ordre de grandeur. Une dernière méthode de prédiction des BEC, fondée sur une fonction de pédotransfert (FPT) tenant compte de la CEC et du taux de saturation, couramment utilisée en France, a également été mise en œuvre et comparée aux approches précédentes. Il apparaît que la méthode utilisant la mesure de pHtampon et le modèle de prédiction établi spécifiquement pour les sols du Massif armoricain, fournit les estimations les plus proches des valeurs de référence obtenues par incubation ; la méthode FPT mettant en jeu la CEC et le taux de saturation fournit des estimations également positivement corrélées aux résultats de référence, mais biaisées et avec des erreurs importantes. La démarche est mise en œuvre sur une parcelle de 4 hectares du bassin de Rennes, régulièrement chaulée avec une dose uniforme déduite de l’analyse d’un échantillon composite prélevé sur la parcelle. Les pH_tampon ont été mesurés aux 62 nœuds d’une grille triangulaire de 25 m de côté. Les données d’estimation en chaux résultant de la mise en œuvre du modèle de prédiction ont fait l’objet d’une analyse géostatistique qui montre que la gamme des BEC au sein de la parcelle est très large, s’étageant de 0,5 à 4,5 t/ha de CaCO3.

Accurate predictions of soil lime requirement in the Armorican Massif

SUMMARY

A calibration model for the Woodruff lime requirement buffer, was used to predict the lime requirements of acid soils in the Armorican Massif (France). Twelve soils with widely varying properties were used in the study and their lime requirements determined by a soil:CaCO₃ incubation experiment. These data were used to calibrate the model and were also the reference method to which model-based predictions of lime requirement were validated against. The use of soil properties as predictors of lime requirement was investigated. Amongst some commonly measured soil properties, pH accounted for the largest proportion of the variation in lime requirements, suggesting that soil pH is a good indicator of whether or not a soil should be limed. The relationship was not strong enough to use soil pH as a predictor of lime requirement. The Woodruff lime requirement buffer pH (pH_buffer) measurements accounted for 93 % of the variation in lime requirements, hence its use for determinations of lime requirement. The response surface calibration model was used for predictions of lime requirement to four different target pHCaCl₂ values. The aim of response surface models is to find the values of the terms that produce a maximum or minimum expected response. Predictions of lime requirement were validated against the reference incubation method. A second response surface model was derived from the combination of two data sets; one from the present study and one from south-eastern Australia. Its predictions were compared and validated against the reference incubations. Model-independent validations were achieved using the statistical technique for error and bias estimations called leave-one-out (jackknife) cross-validation. Predictions of lime requirement from a pedotransfer function (PTF) currently used to predict lime requirements in France were also compared and validated. The (local) response surface model derived from the soils of the study area produced the most accurate predictions of lime requirement while the PTF was inaccurate (and highly biased). Predictions of lime requirement from the combined response surface model were less accurate but as precise as predictions from the locally derived response surface model. Although the response surface model is empirical, the buffer methodology accounts for the chemical processes and interactions between soil properties that affect the lime requirement of soil. We suggest this data set be a starting point for a soil database of Woodruff pH_buffer measurements and incubation lime requirements from all relevant regions in France. The methodology is simple and could be easily implemented. The aim of this database would be to eventually collate all data and produce a more robust model that may be used to derive accurate and precise predictions of lime requirement. Finally, geostatistical analysis of lime requirements to a target pHCaCl₂ of 6 was conducted and a variable-rate lime application map was derived to illustrate the inefficiency of single-rate lime applications.

Estimaciones precisas de los requerimientos en cal para suelos ácidos del Maciso Armoricano

RESUMEN

Los suelos de Bretaña, en el macizo Armorican (Francia), se caracterizan por ser de orígen ácido, por tanto, se decidió elaborar un modelo regresivo que, junto con la disolución tampón de Woodruff, puede ser utilizado para la determinación de los requerimientos en cal de estos suelos. Para la realización de este modelo, se tomaron doce suelos, con propiedades distintas, cuyos requerimientos en cal fueron determinados después de someterlos a un periodo de incubación con diferentes cantidades de carbonato cálcico. Después del periodo de incubación, se realizó un análisis correlativo entre los requerimientos en cal y las propiedades de los suelos, el cual indicó, correlaciones significativas entre ambos. Principalmente se comprobó que hay una buena correlación con el pH, el cual puede ser utilizado para saber si un suelo tiene que ser o no encalado, sin embargo no puede ser empleado para la predicción de los requerimientos en cal, ya que la relacion no es lo suficientemente alta. Se comprobó que la medida del pH en la disolución tampón de Woodruff (pH_buffer) estaba estrechamente ligada con los requerimientos en cal determinados mediante las incubaciones, teniendo un coeficiente de determinación de 0.93, hecho que justifica su empleo para la predicción de los requerimientos en cal. Mediante el pH_buffer, los requerimientos en cal determinados por las incubaciones y cuatro valores de pH final seleccionados, se elaboró un modelo regresivo de tipo « response surface » y sus predicciones fueron validados con los resultados de las incubaciones. Se realizó tambien un modelo calculado a partir de la combinación de los datos de este estudio y de datos de un estudio pre-cedente en el sud-este de Australia. Todas las predicciones fueron validadas independientemente con los resultados obtenidos por las incubaciones mediante la técnica de « leave-one-out (jackknife) cross-validation ». Una funcion de pedotransfer (FPT) de cálculo de requerimientos en cal, normalmente utilizada en Francia fue también comparada y validada. El uso de la FPT fue bastante inexacto. El modelo regresivo del presente estudio produjo las predicciones más exactas de los requerimientos en cal. El modelo combinado produjo resultados más inexactos, pero que pueden considerarse comparables con los cálculos del modelo calibrado con los datos franceses. Por tanto, aunque el modelo sea empírico, el uso de las disoluciones tampones parece integrar los diferentes procesos químicos y las interacciones entre las propiedades del suelo que afectan los requerimientos en cal de un suelo ácido. Entonces, sugerimos la creación de una base de datos formada por medidas de pH_buffer de Woodruff y de requerimientos en cal calculados mediante incubación de las regiones más relevantes de Francia. De esta forma se podrá obtener un modelo más preciso y fiable para la aplicación en los suelos ácidos franceses. Como fase final, se decidió determinar los requerimientos en cal de una parcela de cuatro hectáreas situada en las proximidades de Rennes. Para ello se utilizó el modelo de Bretaña y se hizo un análisis geoestadístico, que permitió realizar un mapa por krigeado, el cual, puede ser utilizado para la aplicación de forma variable de la dosis de cal, evitando de esta forma, las carencias y los excesos que se preducen cuando el encalado se administra uniformemente.