Critique du protocole de calibration de sondes de mesure de l ...

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Université Joseph Fourier-Grenoble 1 Année 2007-2008 Rapport de stage Master 1 Sciences du Vivant, Spécialité Biologie, Ecologie, Environnement Critique du protocole de calibration de sondes de mesure de l'humidité du sol appliqué aux sols complexes de montagne Par Mathieu FAURE Encadré par Jean-Christophe CLEMENT et Patrick SACCONE Laboratoire d'Ecologie Alpine (LECA) Equipe Traits Fonctionnels Végétaux et Dynamique des Ecosystèmes Alpins (TDE) UMR 5553 UJF-CNRS
  • évolution du bilan hydrique des bassins versants alpins
  • sondes echo
  • courbes de calibration
  • echo du manufacturier
  • contexte des changements globaux
  • sondes
  • teneur en eau
  • teneurs en eau
Publié le : mercredi 28 mars 2012
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Source : station-alpine-joseph-fourier.ujf-grenoble.fr
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Université Joseph Fourier-Grenoble 1
Année 2007-2008

Rapport de stage Master 1
Sciences du Vivant,
Spécialité Biologie, Ecologie, Environnement




Critique du protocole de calibration de
sondes de mesure de l’humidité
du sol appliqué aux sols
complexes de montagne



Par Mathieu FAURE
Encadré par Jean-Christophe CLEMENT et Patrick SACCONE




Laboratoire d’Ecologie Alpine
(LECA)
Equipe Traits Fonctionnels Végétaux et Dynamique des Ecosystèmes Alpins
(TDE)
UMR 5553 UJF-CNRS









Résumé :

Dans un contexte de changements globaux, la gestion des flux hydriques devient un enjeu
important pour les civilisations. Le projet Bio-CATCH vise à estimer l’impact des pratiques
agricoles passées et des changements climatiques sur le budget en eau des bassins versants
alpins. Pour cela, le projet utilise des sondes ECHO-10 (Decagon) afin de suivre de manière
non invasive l’humidité des sols. Il est recommandé de calibrer ces sondes d’humidité pour
chaque type de sol. De plus, le protocole du fabriquant des sondes a été développé pour
l’étude de sols de type agricole. Dans cette étude nous avons montré les limites de cette
démarche pour la calibration effectuée sur des sols complexes de montagne. Certaines
propriétés de ces sols comme la densité élevée peuvent être une des causes de la difficulté à
suivre le protocole proposé par Decagon. Finalement nous avons pu proposer deux courbes de
calibration pour les cinq types de sol étudié dans le projet Bio-CATCH, une pour quatre
trajectoires et une seconde pour les sols issus des prairies abandonnées.



Remerciement :

A Patrick pour sa bonne humeur, les cours de français et pour tous ses conseils et ses
petits bidouillages.
Gaby pour ses siestes improvisées et les coups de mains sur le terrain.
Jean-Christophe et toute l’équipe TDE du LECA pour m’avoir accueilli et proposé ce stage.
Et surtout un grand merci à Isa et Karl pour les stats, sans qui l’Ancova serait encore un grand
mystère !!!!!!


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Sommaire

INTRODUCTION................................................................................................. 3

MATERIELS & METHODES.............................................................................. 4
Le projet Bio-CATCH ....................................................................................... 4
Sonde echo10..................................................................................................... 5
Expérimentation................................................................................................. 6
Compilation des résultats et tests statistiques.................................................... 7

RESULTATS ........................................................................................................ 8

DISCUSSION & PERSPECTIVES.................................................................... 12
Propriétés du sol influençant la conductivité électrique.................................. 12
Faiblesses de la démarche expérimentale :...................................................... 13

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ............................................................ 14
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Introduction



Dans le contexte des changements globaux, le devenir de la ressource en eau est
largement étudié par la communauté scientifique mondiale (IPCC 2007). La plupart des
grands fleuves mondiaux, dont dépend plus de la moitié de l’humanité, sont alimentés par les
eaux collectées aux niveaux des bassins versants de montagne qui jouent alors un important
rôle de filtre (Mark et al. 2008). De ce fait, la quantité et la qualité des ressources en eaux
disponibles dépendent, du moins en partie, du couvert végétal et plus généralement de
l’utilisation agro-pastorale des terres de montagne.
A l’échelle des Alpes, le projet Bio-CATCH vise à estimer l’évolution du bilan
hydrique des bassins versants alpins (France, Suisse et Autriche) induite par la combinaison
de deux changements globaux majeurs (Sala et al. 2000) : la déprise agricole et les
changements climatiques. Le projet se penche sur les différentes étapes du cycle de l’eau, en
associant estimations ponctuelles et mesures en continu. Ces dernières nécessitent l’utilisation
de procédures non destructives. Dans ce cadre, la teneur en eau du sol est estimée de manière
indirecte via l’enregistrement des caractéristiques électriques du sol. Deux techniques sont
couramment rencontrées (Czarnomski et al. 2005 ; Paillet Com. Pers). D’une part, la TDR
(Time Domain Reflectometry), qui est basée sur les mêmes principes que les RADAR, c'est-
à-dire qu’elle est basée sur le temps de propagation d’une onde électromagnétique entre les
tiges d’une sonde. Et d’autre part, la mesure de la conductivité ou résistivité électrique du sol
qui illustre la capacité d’un matériau (sol) à laisser passer ou non (dans le cas de la résistivité)
un courant électrique.
Pour le projet Bio-CATCH les sondes Echo10 (mesure de la conductivité) du
manufacturier américain Decagon (Pullman, Washington) ont été retenues pour leur
compromis justesse de mesures / coût (Czarnomski et al. 2005). Cependant, il est intéressant
de noter que, tout comme les autres systèmes de mesure de l’humidité, ce type de matériel a
été conçu pour l’agronomie. Pour leur utilisation, Decagon propose une courbe de calibration
moyenne établie à partir des sols agricoles homogènes et très peu dense. Or dans les études
écologiques, les sols naturels sont souvent beaucoup plus complexes et hétérogènes.
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Malgré ce biais évident, cette étape de calibration reste souvent négligée dans la
littérature.
Dans cette étude, nous avons pris pour exemple les sols diversifiés des parcelles
étudiées dans le projet Bio-CATCH. Ceux-ci, de par l’importance de leur pierrosité, de la
mosaïque de roche mère, de la localisation et de l’histoire d’utilisation des parcelles dont ils
sont issus, sont un parfait exemple de l’hétérogénéité et de la complexité des sols « naturels ».
Sur ces sols nous avons alors cherché à répondre à deux questions :
- Le protocole de calibration proposé par le manufacturier des sondes et mis en place à
partir de sols de type agricole est-il transférable aux études en milieu naturel ?
- La variabilité du type de sol à l’échelle d’un même versant de montagne nécessite-t-il
l’établissement de différentes courbes de calibration ?
Enfin, dans le contexte général du projet Bio-CATCH, le dernier objectif de notre
expérimentation est de fournir les courbes de calibration de chaque sol pour la conversion des
données en cours d’acquisition (2007-2011).



Matériels & méthodes

Le projet Bio-CATCH :
Bio-CATCH est un projet commun entre des équipes des universités de Grenoble,
Basel et Innsbruck qui mènent sur leur site respectif une expérimentation commune. La base
de cette expérimentation est la transplantation de mésocosmes, c’est à dire de monolithes de
sol de 26cm de diamètre et 40cm de profondeur et de leur végétation associée dans une
combinaison de conditions expérimentales.
En France, le site d’étude se situe sur l’Adret de Villar d’Arène à proximité du col du
Lautaret (Hautes-Alpes). Ces prairies subalpines ont été le théâtre de plusieurs projets de
recherche menés par l’équipe TDE (Traits fonctionnels végétaux et Dynamique des
Ecosystèmes alpins) du LECA (Laboratoire d'Ecologie Alpine) permettant une bonne
connaissance des conditions environnementales et historiques.
En transplantant les mésocosmes provenant de parcelles ayant subit des trajectoires
agro-pastorales différentes à différentes altitudes, l’expérimentation vise à la fois à quantifier
les effets des pratiques agricoles passées, de différents scénarii de changement d’utilisation
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des terres ainsi que le poids des changements climatiques sur le bilan hydrique de ces prairies
subalpines en intégrant la modification du couvert végétal. Cinq trajectoires agro-pastorales
sont analysées dans le cadre du projet Bio-CATCH :

TFF – Terrasse anciennement labourée, utilisée aujourd’hui pour être fauchée
et fertilisée par du compost et/ou du fumier.
TF – Terrasse anciennement labourée, mais seulement fauchée de nos jours.
TA – Terrasse anciennement labourée et fauchée laissée à l’abandon pour le
pâturage.
PF – Prairie ayant toujours été fauchée.
PA – Prairie autrefois fauchée mais aujourd’hui laissée à l’abandon pour le
pâturage.
Ces trajectoires agro-pastorales sont caractérisées par des sols aux propriétés différentes
(Tableau 1 ; Robson T.M. et al. 2007)


Tableau 1 : caractéristiques physico-chimiques des sols des cinq trajectoires étudiées dans le
projet Bio-CATCH d’après Robson et al. 2007.

Sonde echo10 :
Les sondes ECHO du manufacturier américain Decagon mesurent la conductivité
électrique du sol, c’est-à-dire la capacité du sol à laisser passer le courant électrique qui varie
en fonction de son niveau d’ionisation, lui-même directement lié au taux d’humidité. Les
sondes génèrent donc des données en volts.
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La conversion des ces valeurs en taux d’humidité est très largement dépendante des
caractéristiques du sol tels que : la granulométrie, le niveau de compaction, la composition en
minéraux, la densité du réseau racinaire, etc.
C’est pour cela que le fournisseur recommande de réaliser une calibration spécifique pour
chaque sol afin de réduire la marge d’erreur.

Expérimentation :
Pour chaque trajectoire, nous avons prélevé trois échantillons de sol à l’aide d’un
carotteur de 26cm de diamètre sur une profondeur de 21cm. Les échantillons sont répartis
aléatoirement sur une parcelle identifiée par les études antérieures (Vista Project ; Quétier
2007). A l’aide d’un échantillonneur cylindrique (un segment de tube de plomberie) de
3volume connu (35,34 cm ), un échantillon de sol brut a été prélevé à 15cm de profondeur sur
les bords de la cavité afin de calculer la densité de chaque échantillon.
De retour au laboratoire, les échantillons ont été asséchés à température ambiante
plusieurs jours puis ils ont été tamisés à 5mm afin d’obtenir un ensemble homogène et
relativement fin limitant le risque d’artéfact dans les mesures de conductivité (préconisations
Decagon).
L’installation des sondes Echo10 est un moment clé : Les sols ont été recréés à partir
des échantillons tamisés en reproduisant le plus fidèlement possible leur densité d’origine. En
effet, l’hétérogénéité des sols a pu induire un certain décalage dans les densités mesurées nous
empêchant de recompacter la masse de sol théorique dans les conteneurs de quatre litres
utilisés durant l’expérimentation. Les sondes ont été placées sur la tranche de manière
similaire à ce qui a été fait l’année précédente dans les mésocosmes du projet Bio-CATCH.
Puis elles ont été recouvertes de sol tamisé. Enfin, le sol a été délicatement compacté autour
de la sonde afin d’éviter la présence de macropores (poches d’air) au contact de la sonde ce
qui pourrait fausser les mesures. Enfin les sondes ont été connectées à une station
d’acquisition HOBO (Bourne, Massachusetts).

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Dispositif expérimental

• Station d’acquisition HOBO

• Balayette !!!!

• Echantillonneur cylindrique

• Conteneur avec 4litres de sol
et la sonde Echo10

Figure 1- photographie du dispositif expérimental de calibration

Afin de calibrer les sondes sur une gamme d’humidité assez large, Decagon préconise
une humidification par palier. Une manipulation préliminaire nous a permis d’établir que des
paliers de 200ml d’eau (pour 4 L de sol) permettraient une calibration fine des sondes. A
chaque palier, l’eau versée a été considérée comme répartie de manière homogène après un
délai de 20 minutes. Passé ce délai, un échantillon de sol a été prélevé puis immédiatement
pesé (Poids Frais, PF). L’heure de prélèvement a été précisément notée afin de pouvoir
extraire des fichiers de données HOBO les valeurs de conductivité enregistrées. Les
échantillons de sols ainsi prélevés ont ensuite été placés 48 heures à l’étuve (105°C) puis
3repesés (Poids Secs, PS). Les valeurs de poids ont été transformées en unité de volume (cm )
afin de rejoindre les standards de la littérature et la teneur en eau (Volumetric Water Content,
VWC) de l’échantillon a été alors calculée selon la formule :
VWC = (VF-VS/ VF)
où VF représente le volume frais de l’échantillon et VS le volume sec.

Compilation des résultats et tests statistiques :
Les courbes de calibration pour chaque type de sol ont été obtenues par la recherche
de la meilleure régression permettant d’expliquer la variation de l’humidité par la variation de
la conductivité enregistrée.
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Les différences entre ces régressions pour les différentes trajectoires agro-pastorales
ont été testées par des analyses de covariance (ANCOVA). Cette méthode d’analyse
statistique nous a permis de tester la significativité des différences entre les pentes et les
ordonnées à l’origine des régressions. L’analyse montre les effets d’une variable qualitative
(type de milieu) et d’une variable explicative (conductivité électrique du sol) sur une variable
expliquée (humidité). L’absence de différence significative entre certaines régressions nous a
amenés à regrouper les trajectoires agro-pastorales concernées sous la même courbe de
calibration.
Les analyses statistiques ont été réalisées sous le logiciel JMP 5.0.1 (SAS institute,
Cary, Caroline du Nord).

Résultats
Comparaison des calibrations selon les parcelles :
Après avoir testé pour chaque type de sols différentes régressions (quadratique,
logarithmique, etc.) reliant le taux d’humidité à la conductivité, il s’avère que les régressions
linéaires sont les modèles les plus adaptés aux données (Tableau 2).

Tableau 2 : pertinence des régressions linéaires (R²) et équations des calibrations pour
chaque site d’étude du projet Bio-CATCH.

Trajectoire R² équation
TFF 0,6933 y = 0,6413x + 0,0245 ***
TF 0,7142 y = 0,5968x + 0,0481 ***
TA 0,6268 y = 0,714x - 0,0219 ***
PF 0,8447 y = 0,7777x - 0,0559 ****
PA 0,6155 y = 0,3317x + 0,2558 ***


L’analyse globale des résultats montre bien un effet des trajectoires (types de sols) sur les
courbes de calibration (Tableau 3).



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Tableau 3 Résultats de l’analyse de covariance globale testant les effets des trajectoires
d’origine des échantillons et de la conductivité sur les taux d’humidité.

Source de variance ddl F p
Conductivité 1 149.22 < 0.001
Trajectoire 4 3.80 0.007
Conductivité x Trajectoire 4 3.55 0.010
Erreur 80

A la vue des courbes de régressions de la figure 2 les sols des trois terrasses (TFF, TF,
TA) et de la prairie fauchée (PF) semblent présenter une relation taux d’humidité-conductivité
relativement proche. Une seconde analyse de covariance entre ces quatre courbes nous a
permis de confirmer cette similarité (Tableau 4).

Tableau 4 : résultats de l’analyse des covariances entre les trois types de terrasses et la
prairie fauchée, testant les effets des trajectoires d’origine des échantillons et
de la conductivité sur les taux d’humidité.

Source de variance ddl F p
Conductivité 1 136,4379 < 0.0001
Trajectoire 3 1,5251 0,2165
Conductivité x Trajectoire 3 0,5758 0,633
Erreur

Il aurait paru logique d’observer un regroupement des calibrations liés aux trajectoires,
c'est-à-dire une discrimination Terrasses / Prairies. Contre toute attente, nos résultats montrent
donc une différenciation des seules prairies abandonnées.

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