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Permettent l’interdisciplinarité des sciences agroenvironnementales avec la science du sol
Erik Braudeau
BIOEMCO, IRD, BONDY
Objectif: le couplage physique (mécaniste) des modèles biologiques avec la dynamique hydrostructurale du Milieu Sol
Rencontres Q@LIMEDiterrannée6 Novembre 2009
Pedostructure et pedoclimat, concepts clefs de la physique du « Milieu Sol »
Le sol est « présent » à tous les niveaux d’échelle d’organisation des agro- et éco-systèmes
HYDRO-PEDO-STRUCTURE et BIO
Le PEDON, Volume ReprésentatifElémentaire (REV) de l’unité de sol
Unités géomorphologiques, pédologiques, parcelles agronomiques
Unités cartographiques derelief, paysage, bassin versant , écosystèmes, etc.
MICROSCALE(Milieu Sol)
HUMANSCALE(Station, ensurface du sol)
GLOBALSCALE(Systèmes terrestres)
Etudes des processus dans le milieu organisé du sol___________________________________________________________________________________________________________www.biologie.ens.fr/bioemco
MACROSCALE(carte des sols)
Le challenge: le couplage des modèles biologiques avec la physique du milieu organisé du sol
Nombreux sont les processus étudiés dans le sol-Minéralisation de la M.0. du sol- Dynamique racinaire, échanges d’éléments avec la rhizosphère-Microbiologie du sol- Cycles de N et C …- Pesticides transfert, accumulation, etc. Mais, des constats étonnants:
La typologie du milieu sol n’existe pas
Aucun modèle de « structure du sol en interaction avec l’eau » n’existe aujourd’hui dans les modèles agronomiques
Le climat interne dans le sol, n’est pas défini ni à fortiori sa dynamique avec le climat externe
- Le sol est un milieu physique organisé, lieu d’accueil et de conditionnement pour les organismes vivants, leurs formes et activités.
- Il fonctionne avec l’eau et l’air qui sont les phases mobiles abiotiques organisées autour de la phase solide, laquelle constitue la structure du sol et sert de référant spatiale.
La carte pédologique, support d’info pour la modélisation spatialisée de
toute activité (bio-géo…) du sol
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Le pédon, Volume Structural Elémentaire Représentatif (SREV) de
l’unité cartographique de sol
La modélisation doit respecter les niveaux d’échelle d’organisation
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Primary soil mapping unitSoil type
Unité géomorphologique
REV
Unité cartographiquede sol
Assemblage des peds primaires
Pedon Porosité inter ped
Plasma argilo-humique
Porosité plasmique (texturale)
Unités cartographiques Pédon Pédostructure Ped primaire
Modéliser physiquement le processus au niveau d’échelle où il se produit, en l’occurrence le milieu sol ; Passer par intégration à l’échelle suivante, le pédon ; la précision physique est conservéePuis passer statistiquement du pédon à l’unité caractéristique de sol : passage à une représentation statistique de la production biologique par une unité cartographique de sol ; mais la nouveauté consiste en ce que 1) l’unité cartographique représente un type de sol bien défini (caractérisé par ses horizons et leur pédostructure) et 2) la dynamique hydro-structurale du pédon (pédoclimat) est en relation physique avec le climat au dessus du sol.
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Mesure des caractéristiques de la pédostructure sur échantillon standard
Laser spot and laser beam
Measurementapparatus
Balance
Soil sample moistening
Soil core
Sand
box
La courbe de retrait V(W) est l’une des trois équations d’état caractéristiques de la pédostructure
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Equation du potentiel thermodynamique du « Milieu Sol »
Equation du potentiel thermodynamique de Gibbs rapportée à la masse solide de la pédostructure
aw dAdWdPVdTSGd
La courbe de retrait : et la la courbe de potentiel de l’eau caractérisent le comportement hydrostructural de la pédostructure. La méthodologie de mesure au laboratoire est bien établie. Les paramètres de ces équations sont utilisés comme critères de différenciation des types de sols du point de vue fonctionnel.Le pédoclimat consiste en la mise en relation dynamique des états d’équilibre thermodynamique de la pédostructure avec les variations climatiques externes, à la surface du sol.
Ww WV
où et Les coefficients dans l’équation d’équilibre où dG=0 sont dépendants de la teneur en eau W et constituent les équations d’état caractéristiques de l’équilibre énergétique du milieu en fonction de la teneur en eau.
SSSS /; ; ; mmWmVVmSSmGG w SmmA a
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Modélisation physique du Pédon, de la pédostructure et du pédoclimat par Kamel®
Eau macro-porale
air
airair
air
S-matrix ()
Modèle fonctionnel de la Pédostructure
Espace inter agrégats
Transferts eauInter agrégats
Espace intra agrégats
Transferts d’eauinter-intra agrégats
Eau microporale d’absorption
Eau résiduelle
PedostructurePedon
Interped pore space Vpma
Primary peds micro pore space
Vpmi
Primary peds
Mineralgrains
Clayey horizon
Sandyhorizon
Structure Representative
Elementary Layers
(SRELs)
Modeling the Soil System: Bridging the Gap Between Pedology and Soil-Water Physics. Braudeau, E. and Mohtar, R.H.. Global Planetary Change Journal. 67: 51-61, 2009Kamel®, Simile version, Braudeau, E. 2006. Agence pour la Protection des Programmes, Paris, IDDN.FR.001.390019.000.S.P.2006.000.31500.
Kamel® is a multi-scale « soil water» computer model based on the pedostructure concept
Le nouveau paradigme de la Pédologie hydrostructurale
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Nature and morphology
Evolution
Functionality
Soil Physics
Pedology
Axe I
Axe II
Axe III
1er cas: Le pédon est un ensemble de couches homogènes, sans organisation interne. 2ème cas: chaque horizon est caractérisé par les paramètres hydrostructuraux de sa pédostructure (équilibre et dynamique)
Texture + MOet PTFs par couches de sol
Types pédo-génétiques+ épaisseur des horizons + Types de pédostructures
Cartes thématiques
SIRS-Sols =Carte pédo, unités de sol caractérisées par les paramètres de modélisation hydrostructurale du pédon
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3 0 0 0 3 0 0 6 0 0 M e t e r s
N
E W
S
A r g i l e u x A r g i l o - l i m o n e u x A r g i l o - s a b l e u x L i m o n o - a r g i l e u x L i m o n e
u x L i m o n o - s a b l e u x E q u i l i b r é S a b l o - a r g i l e u x S a b l e u x S a b l o - l i m o n e u x S t r a t i f i é
# O b s e r v a t i o n à
l a t a r i è r e
C l a s s e s d e t e x t u r e
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T 1 8 T 2 1 T 2 2 T 2 3
T 0 1
T 0 3
T 1 6 T 1 7
T 0 4 T 0 8
T 1 9 T 2 0 T 2 4
T 0 2 T 0 5
T 0 6
T 0 9
T 0 7
T 1 2
T 1 1
T 1 0
T 1 3
T 1 4 T 1 5
P r o f o n d e u r : 7 0 - 9 0 c m
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T 1 8 T 2 1 T 2 2 T 2 3
T 0 1
T 0 3
T 1 6 T 1 7
T 0 4 T 0 8
T 1 9 T 2 0 T 2 4
T 0 2 T 0 5
T 0 6
T 0 9
T 0 7
T 1 2
T 1 1
T 1 0
T 1 3
T 1 4 T 1 5
S u r f a c e : 0 - 3 0 c m
Carte de texture d’une parcelle agronomique à deux profondeurs
Carte des sols simplifiée de la Martinique (Numérisée en 2004 d’après Colmet Daage, 1969)
Deux conceptions très différentes de la cartographie des sols et du système
d’information qui en découle
La méthodologie du SIRS-Sols: anciennes cartes des sols numérisées et recadrées suivant l’approche systémique puis ré-renseignées avec les paramètres de modélisation du pédon/pédostructures)
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Wrapper
Soil - Erosion
Conception actuelle de la plateforme de modélisation du système sol (modèle APES)
Soil - Nitrogen
Soil - Roots
Soil component
Soil - Tillage
Soil - Carbon
Soil - Water
Management Simulation Engine OutputGlobal variables
Soil and processes rate variables
Weather
Land useExternal events
Initialstate
Pedonframe
allows linking model components and provides common services (integrator, simulation time
manager, envents handler…
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Global variables
Initial status and external events
Idée de plateforme de modélisation reposant sur les concepts de pédostructure et pédoclimat
Events Management
OutputsTransfer of
scaleslocal/global
ROOTS, PLANT NUTRITION
Thermodynamic states of the organized soil medium
Pedostructure and pedoclimate represent soil physical conditions for
all biological activities and lifes in soil at given depth
Integrated state variables of soil and processes at the pedon scale
Management
Weather
Land use
WATER, RUNOFF
C - N
MICROBIALACTIVITY
SIMULATOR
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Conclusion I
• Nous avons présenté une toute nouvelle manière de caractériser et modéliser les propriétés physiques du sol, lesquelles sont entièrement dépendantes de la structure hiérarchisée de la phase solide et à son interaction énergétique avec l’eau.
• Cette nouvelle manière constitue un nouveau paradigme de la physique du sol qui renoue avec la Pédologie et l’approche systémique des organisations naturelles ; détrônant en cela l’ancien paradigme basé sur la mécanique des milieux poreux continus.
• Loin de vouloir tout effacer pour recommencer à zéro, il s’agit seulement de donner un nouveau cadre de référence, générique cette fois, à la modélisation, l’instrumentation, la recherche, la constitution des bases de données géoréférencées et l’expertise dans les sciences agroenvironnementales, en tout ce qui concerne la relation des objets d’étude de ces disciplines avec le sol.
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Conclusion II
• Concernant les sols, non seulement la masse d’information existante (cartes pédologiques notamment, bases de données), peut (et devrait) être réactualisée dans ce nouveau paradigme (introduction en SIRS-Sols) mais aussi les principes de base des nouveaux moyens de mesure ou d’investigation, comme les techniques géophysiques ou l’imagerie satellitaire pour le zonage et la reconnaissance des sols, devraient être recadrés dans ce nouveau paradigme.
• Finalement, la méthodologie de modélisation physique et systémique du sol présentée ouvre l’accès:
- À une typologie des sols qui permet la comparaison des études géographiquement distantes
- À une réactualisation des cartes pédologiques (SIRS-Sols) pour la modélisation globale de l’état, de l’activité et l’évolution des processus du sol
- Au couplage de modèles biologiques et géochimiques avec le type de sol (interdisciplinarité);
– À la recherche fondamentale sur les mécanismes d’interaction entre l’eau et la phase solide du solide