Mesures spatialisées de propriétés du sol au sein d’une parcellepar sonde ISFET et mesures hyperspectrales

2002

R.A. Viscarra Rossel^1,3 Y. Fouad², C. Walter¹

¹ ENSA-INRA Rennes, UMR SAS, 65 rue de St Brieuc, CS84215, 35042 Rennes, France
²ENSA Rennes, Laboratoire de Physiques des Surfaces Naturelles, 65 rue de St Brieuc, CS84215, 35042 Rennes, France
³Australian Centre for Precision Agriculture, McMillan Building A05, University of Sydney, NSW 2006

Thème 4 - Analyse Spatiale, 7èmes Journées Nationales d'Etude des Sols, 22-24 Octobre, Orléans, France.

Abstract

L’objectif de ce travail est d’évaluer de nouveaux outils de mesure de terrain qui permettent d’évaluer de façon rapide, précise et quantitative la variabilité de propriétés du sol au sein d’une parcelle. Deux techniques sont présentées ici : d’une part, l’emploi de sondes de mesure de pH ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor) ; d’autre part, l’utilisation d’un spectromètre de terrain permettant de mesurer la réflectance spatiale des sols.
Le site d’étude est une parcelle de 4 ha située près de Rennes présentant un gradient d’hydromorphie le long d’un versant convexo-concave de pente moyenne (5 %). Les sols sont des Brunisols ou des Néoluvisols, limoneux, acides, développés dans des matériaux d’apport éolien. Cette parcelle est cultivée depuis 20 ans de façon homogène mais résulte de la fusion de plusieurs anciennes parcelles délimitées par des haies.
Un plan d’échantillonnage systématique selon une grille régulière triangulaire a été mis en place grâce à un GPS de précision submétrique : il permet de couvrir la parcelle selon un maillage de 25 m de côté, aux nœuds duquel l’ensemble des propriétés sont mesurées, et selon un maillage plus fin (12,5 m) utilisé pour les mesures de pH. Un échantillonnage classique du sol a été mis en œuvre au niveau de chaque point : le sol est prélevé entre 0 et 10 cm puis envoyé au laboratoire pour analyse des propriétés physico-chimiques (granulométrie, carbone organique, pH, CEC, cations échangeables, phosphore) selon des méthodes normalisées. En chaque point, la densité apparente est également mesurée par des cylindres de 500 cm³.
La mesure rapide du pH est permise par l’apparition d’une nouvelle génération de sondes pH, dites ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor), dont les temps de réponse et la robustesse sont supérieures aux électrodes classiques. Une étude préalable (Viscarra et al., 2002) a été conduite sur 17 sols cultivés de Bretagne pour étudier la cinétique des réactions du pH. Ces sols présentaient une gamme très étendue de variation de pH, de texture et de matière organique. Cette étude a mis en évidence des cinétiques de type bi-phasiques et séquentielles, avec une réaction très rapide de l’ordre de quelques secondes représentant environ 80% de la variation totale de pH, suivie d’une seconde phase de réaction plus lente. Une méthode de terrain a donc été testée permettant de concilier un temps de mise à l’équilibre suffisant intégrant en partie l’effet de la seconde phase de la cinétique d’évolution du pH et un souci de limiter le temps de mesure pour pouvoir augmenter la densité d’échantillonnage. Un temps d’équilibration de 10s a été testé permettant d’atteindre une exactitude théorique de 0,15 et 0,33 unités respectivement pour les pHCaCl₂ et pHH₂O. Sur la parcelle étudiée, 476 mesures de pH (238 sites avec deux mesures distantes de 1 m) ont été effectuées en 5 heures. Un jeu de validation a permis d’évaluer le biais de la mesure rapide à –0,23 unité pH et son exactitude à 0,34 unité pH. Les cartes construites par géostatistique à partir de la mesure rapide sont apparues mieux structurées que celles obtenues à partir des mesures de laboratoire, en raison d’une densité d’échantillonnage plus importante permettant une meilleure estimation de la structure spatiale de la variabilité (par le variogramme) et une prise en compte de la variabilité à courte distance lors de l’interpolation.
L’utilisation de la spectrométrie avait pour objectif de caractériser de façon plus globale la variabilité des propriétés du sol au sein de la parcelle en tenant compte des variations possibles de matière organique, de texture, etc. (Viscarra et McBratney, 1998). Un spectroradiomètre portable (ASD Fieldspec) permettant la mesure de la réflectance spectrale du sol dans le domaine optique (de 400 à 1000 nm de longueur d’onde, selon une résolution de 1,4 nm) a été testé. Ce domaine recouvre le visible et une partie du proche infra-rouge. Le spectre de réflectance du sol a été établi sur sol nu, légèrement décapé, en chacun des nœuds du maillage de la parcelle. Les spectres ont été comparés à l’ensemble des données analytiques acquises sur la parcelle en employant la technique de régression dite P.L.S (Partial Least Squares regression). Les premiers résultats montrent une bonne concordance entre les deux sources d’information. L’aptitude à prédire des propriétés du sol par simple mesure in situ des spectres de réflectance est en cours d’évaluation.
Ainsi, l’apparition de nouveaux outils de mesure de terrain, à l’image des sondes ISFET et des spectromètres portables, permet d’envisager un renouvellement important des approches de terrain vers une meilleure prise en compte de la variabilité intra-parcellaire des propriétés du sol. Le principal avantage est la possibilité d’augmenter significativement les résolutions d’échantillonnage. Il s’agit là d’avancées technologiques qui sont susceptibles de favoriser une gestion plus fine de la conduite des cultures et de l’aménagement des sols.

Références
Viscarra Rossel, R.A. and McBratney, A.B. 1998 Laboratory evaluation of a proximal sensing technique for simultaneous measurement of clay and water content. Geoderma,85(1): 19-39.
Viscarra Rossel R.A., A. Pérez Hoyos, Walter C. 2002 Estimations précises des besoins en chaux dans le Massif armoricain. Etude et Gestion des Sols, 9(3): 197-212.
Viscarra Rossel R.A & C. Walter - Rapid, quantitative and spatial field measurements of soil pH using an Ion Sensitive Field Effect Transistor. Geoderma (in-press).