Etude de la macroporosité d`anthroposols reconstitués par analyse

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Etude de la macroporosité d`anthroposols reconstitués par analyse
Enregistrement scientifique n° : 2003
Symposium n° : 19
Présentation : poster
Etude de la macroporosité d’anthroposols reconstitués
par analyse d’image
Study of the macroporosity of reconstituted anthropic
soils by image analysis
BEAUDET-VIDAL Laure, FRADIN Valérie, ROSSIGNOL Jean-Pierre
INH, Laboratoire de Science des Sols et des Substrats, 2 rue Le Nôtre, 49045 Angers
cedex 01, France.
Les Anthroposols reconstitués (Baize & Rossignol, 1992), sont des sols reconstruits à
partir de terre arable de sols agricoles et mis en place dans les espaces verts pour des
plantations d’ornement. Cette « terre végétale », depuis son extraction sur le site initial
jusqu’à sa mise en place sur le chantier de plantation, subit différentes sollicitations
mécaniques à l’origine de dégradations des propriétés physiques. Afin d’évaluer l’impact
des conditions de mise en place (humidité des matériaux, matériel utilisé), une étude de la
macroporosité a été réalisée à l’aide de plusieurs méthodes : descriptions
macroscopiques, densimétrie, perméamétrie et analyse d’image (Fradin, 1997). On se
propose ici d’étudier plus précisément les résultats obtenus par analyse d’image et de
vérifier qu’ils permettent d’estimer l’évolution des propriétés physiques des sols.
I - MATERIELS
Les sols étudiés sont situés sur les espaces verts de la Cité Internationale de Lyon
(France). Ils sont répartis sur 4 secteurs : l’Arboretum (A), la Bande Boisée (BB), le
Parc Sud (PS) et le Triangle Interpol (TI). Ils sont constitués d’un horizon de 30 cm
de terre amendée en compost (à base de sciures et de boues d’épuration) qui recouvre un
horizon de terre végétale jusqu’à 1 m de profondeur en moyenne. Les matériaux utilisés
proviennent de plusieurs parcelles agricoles de la région lyonnaise.
1. Caractéristiques physiques : Les analyses physiques sont réalisées à partir de
prélèvements dans les fosses d’observation de chaque secteur (Tab. 1). Les sols de
l’Arboretum et de la Bande Boisée, reconstitués avec des matériaux provenant de
parcelles différentes, ont des granulométries voisines ; ce sont des limons sablo-argileux
avec un taux d’éléments grossiers proche de 10 %. Les sols du Parc Sud et du Triangle
Interpol ont été mis en place avec la même terre et sont aussi des limons sablo-argileux
mais avec un taux de pierrosité autour de 40 %.
1
Tableau 1 : Caractéristiques physiques des sols étudiés
Secteur
Horizons
Arboretum
horizon 1
horizon 2
Bande Boisée
horizon 1
horizon 2
Parc Sud
horizon 1
horizon 2
Triangle
horizon 1
horizon 2
Prof.
(cm)
Echan- Pier
Répartition granulométrique
LF
LG
SF
SG
tillon
rosité A
Porosité
Origine
20-40
40-60
Ah1
Ah2
7%
9%
15.5 13.7 31.7 23 16.1 peu poreux
17.3 13.8 29.3 24.6 15 peu poreux
Saint
Priest
30-50
50-80
BBh1
BBh2
11%
11%
16.4 17.9 40.7 11.6 13.4 très poreux
16.6 20.1 36.7 12.6 14
poreux
Genas
10-30
30-50
PSh1
PSh2
44%
55%
17.5 20.9 20 12.6 29
17.1 19.8 16.7 12.3 34.1
poreux
poreux
Pusignan
15-45
45-90
TIh1
TIh2
50%
37%
15.7 18.2 14.8 11.5 39.8
17 18.8 16.7 13.8 33.7
poreux
poreux
Pusignan
2. Conditions de mise en place (Tab. 2) : Les sols de l’Arboretum et de la Bande Boisée
ont été mis en place à environ un an d’intervalle et dans des conditions différentes : pour
l’Arboretum, les matériaux ont été déversés directement des bennes des camions dans les
fosses de plantation tandis que pour la Bande Boisée, les sols ont été installés à la pelle
mécanique. Pour les sols du Parc Sud et du Triangle Interpol, seule l’humidité des
matériaux à la mise en place diffère : la reconstitution des sols a été réalisée en conditions
sèches sur le Triangle Interpol et en conditions humides sur le Parc Sud.
Tableau 2: conditions de mise en place des sols
Secteur
Conditions de mise en place des sols
date
engin
humidité des matériaux
mars 96
benne
sec
Arboretum
juin-juil-nov
95
pelle
mécanique
sec
Bande Boisée
oct-nov-dec 94
pelle mécanique
sec
Triangle Interpol
dec 94 / fev-mars 95 pelle mécanique
humide
Parc sud
II - METHODES
1. Mesures de densité apparente : Chaque secteur a fait l’objet de mesures de densité
apparente in-situ à l’aide d’une sonde gammamétrique.
2. Mesures de perméabilité : A proximité des fosses d’observation, des mesures de
perméabilité en saturé ont été réalisées à deux profondeurs à l’aide d’un perméamètre de
Guelph ; le coefficient de perméabilité Kfs a été calculé à partir de l’analyse de Laplace
(Reynolds & Elrick, 1985).
3. Analyse d’image : Dans chaque profil, des échantillons de terre (6x6x6cm) ont été
prélevés dans les horizons de surface et de profondeur (Tab. 1). Ils ont été imprégnés,
après échange de l’eau par l’acétone, d’une résine de polyester, colorée par un pigment
fluorescent qui permet de distinguer sous lumière ultra-violette l’espace poral en clair sur
fond sombre. Pour un même échantillon, une grande image et une petite (1/16ème de la
grande), sont numérisées en 256 niveaux de gris dans le logiciel d’analyse d’image
Optimas v.5.2. La numérisation des images est réalisée sous forme d’une matrice
rectangulaire de 640x480 pixels : pour le faible et le fort grossissement, la dimension
d’un pixel est respectivement 0,08 mm et 0,02 mm. Les pores présents dans l’échantillon
sont repérés par seuillage, le diamètre moyen des pores les plus petits observés est de
2
0,032 mm. Or, d’après Chen et al. (1993), les macropores ont un diamètre supérieur à
0,030 mm. Les pores comptabilisés par analyse d’image représentent donc la
macroporosité des échantillons. A partir des résultats d’analyse d’image, les paramètres
calculés couramment sont (Hallaire & Cointepas, 1993) :
- la macroporosité surfacique : l’image au fort grossissement permet une appréciation
meilleure des pores de petite taille d’où un calcul de la macroporosité surfacique à l’aide
des deux images. Les pores de diamètre inférieur à 0,185 mm, sont comptabilisés sur la
petite image et ceux de diamètre supérieur sur la grande.
- la taille des pores estimée à partir de leur aire en mm².
- la forme des pores appréciée par un indice d’allongement : Ia = (périmètre)²/4π aire.
Trois classes de forme ont été définies : les pores ronds (Ia<5), les fissures (5<Ia<10),
les amas de pores (Ia>10).
- l’orientation des pores calculée par rapport à l’horizontale en tournant dans le sens
des aiguilles d’une montre. Les pores ronds et les amas de pores ont une orientation
isotrope donc seule l’orientation des fissures sera retenue : fissures subhorizontales (030°), obliques (30-60°) et subverticales (60-90°).
III - RESULTATS ET DISCUSSION
1. Les profils de densité apparente moyenne
La figure 1 regroupe les profils de densité apparente moyenne par secteur et par année de
mesure. Les plus faibles densités apparentes sont obtenues en surface et peuvent
s’expliquer par la présence de compost et le travail superficiel des sols. Ainsi la
comparaison entre secteur a été réalisée pour des profondeurs supérieures à 30 cm.
Influence du matériel utilisé : Les sols de la Bande Boisée et l’Arboretum ayant été
mis en place différemment, la comparaison des résultats obtenus pour ces secteurs
permet d’établir le rôle de l’engin utilisé. Un an après la mise en place, les densités
apparentes moyennes sont comprises entre 1,4 et 1,5 pour les sols de l’Arboretum et
entre 1,3 et 1,4 pour ceux de la Bande Boisée. La reconstitution des sols à la pelle
mécanique entraîne par conséquent des densités moins élevées par rapport au
déversement direct de la terre de la benne dans la fosse de plantation.
Influence de l’âge des sols : Pour les sols de la Bande Boisée, du Parc Sud et du
Triangle Interpol, les mesures de densité apparente ont été réalisées pour deux années et
mettent en évidence une densification des sols avec l’âge. En outre les sols de la Bande
Boisée ont en 1997 une densité apparente moyenne de 1,5 et ceux de l’Arboretum une
densité apparente comprise entre 1,4 et 1,5. Ces derniers, plus récents, sont donc
légèrement moins denses que les sols de la Bande Boisée.
Influence de l’humidité des matériaux à la mise en place : Quel que soit l’âge des
sols, les densités apparentes sont nettement supérieures pour le Parc Sud par rapport au
Triangle Interpol. L’humidité des matériaux apparaît comme facteur explicatif : les sols
du Parc Sud ont été mis en place avec des matériaux humides donc plus sensibles au
compactage que les mêmes matériaux utilisés secs sur le Triangle Interpol.
3
De n s ité a p p a r e n t e s è c h e
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.1
0
0
20
20
Profondeur (cm)
Profondeur (cm)
1.1
De n s ité a p p a r e n t e s è c h e
40
60
80
1997
100
120
ARBORETUM
1.3
1.4
1.5
80
1996
100
1997
1.1
20
20
40
60
1995
1997
PARC SUD
120
1.6
BANDE BOISEE
De n s ité a p p a r e n t e s è c h e
1.6
0
100
1.5
60
0
80
1.4
120
Profondeur (cm)
Profondeur (cm)
1.2
1.3
40
De n s ité a p p a r e n t e s è c h e
1.1
1.2
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
40
60
80
1995
100
1997
120
TRIANGLE INTERPOL
Figure n° 1: Profils de densité apparente moyenne par secteur et par année
2. Caractérisation de la macroporosité par analyse d’image (échantillons 1997)
Macroporosité totale (Fig. 2) : La macroporosité totale des horizons de surface des
sols de l’Arboretum et de la Bande Boisée, est d’environ 23 %. En profondeur les sols
de la Bande Boisée sont moins poreux (14 %) que ceux de l’Arboretum (19 %).
Une importante différence de macroporosité existe entre les sols du Triangle Interpol
(>20 %) et les sols du Parc Sud (entre 8 % et 12 %). La mise en place des sols avec des
matériaux secs, est donc à l’origine d’une macroporosité plus importante.
Aire (%)
27%
30
25
22.9%
23.1%
22.2%
18.7%
20
Amas de pores
14%
15
12.1%
Fissures
Pores ronds
7.9%
10
5
Echantillons
TIh2
TIh1
PSh2
PSh1
BBh2
BBh1
Ah2
Ah1
0
Figure n°2: Macroporosité surfacique et forme des pores
Forme des pores (Fig. 2) : Les différences de répartition des macropores entre pores
ronds, fissures et amas de pores, ne dépendent apparemment pas des conditions de mise
en place mais plutôt des deux groupes de sols préalablement définis en fonction de leurs
répartitions granulométriques différentes : les sols de l’Arboretum et de la Bande Boisée
comportent presque uniquement des pores ronds et des fissures tandis que les sols du
Parc Sud et du Triangle Interpol présentent aussi des amas de pores. Ces variations
4
peuvent être liées au plus fort taux de pierrosité et/ou de sables grossiers des sols du
Triangle Interpol et du Parc Sud.
Taille des pores (Fig. 3) : Pour l’horizon de surface, les macropores observés sur les
échantillons de la Bande Boisée sont de plus grosse taille que ceux de l’Arboretum. Par
contre les pores ont une distribution voisine en profondeur.
Aire (%)
6
5
4
3
2
1
0
Ah1
Aire (%)
6
5
4
3
2
1
0
Médiane de classe d'aire (mm²)
Aire (%)
6
5
4
3
2
1
0
Ah2
Médiane de classe d'aire (mm²)
Aire (%)
6
5
4
3
2
1
0
Médiane de classe d'aire (mm²)
Aire (%)
6
5
4
3
2
1
0
PSh1
PSh2
BBh2
Médiane de classe d'aire (mm²)
Aire (%)
6
5
4
3
2
1
0
Médiane de classe d'aire (mm²)
Aire (%)
6
5
4
3
2
1
0
BBh1
TIh1
Médiane de classe d'aire (mm²)
Aire (%)
6
5
4
3
2
1
0
TIh2
Médiane de classe d'aire (mm²)
Médiane de classe d'aire (mm²)
Figure n°3: Répartition des macropores
Pores ronds
Fissures
Amas de pores
La mise en place des sols à la pelle mécanique entraîne globalement des pores ronds plus
grands, surtout en surface.
Les sols du Triangle Interpol présentent des macropores de moyenne et grande taille
(0,081 mm² à 10,32 mm²) beaucoup plus nombreux que ceux du Parc Sud. La réduction
du nombre de pores peut s’expliquer par un tassement plus important à la mise en place
en conditions humides qu’en conditions sèches.
L’orientation des fissures (Fig. 4) : Les fissures au niveau des horizons de surface et de
profondeur, ne présentent apparemment aucune orientation préférentielle. La répartition
des fissures est isotrope sur les faces verticales des échantillons.
5
Aire (%)
Aire (%)
2.5
h1
h2
2
h1
2.5
h2
2
1.5
1.5
1
1
0.5
0.5
0
0
0°-30°
30°-60°
ARBORETUM
60°-90°
Aire (%)
2.5
0°-30°
h2
60°-90°
Aire (%)
h1
2
30°-60°
BANDE BOISEE
h1
2.5
h2
2
1.5
1.5
1
1
0.5
0.5
0
0
0°-30°
30°-60°
PARC SUD
0°-30°
60°-90°
30°-60°
60°-90°
TRIANGLE INTERPOL
Figure n°4: Orientation des figures
3. Perméabilité et macroporosité
Le tableau 3 donne les valeurs de Kfs : la méthode de mesure donne des résultats
homogènes sur un même profil. Aucune relation n’apparaît entre la perméabilité et la
macroporosité totale (Fig. 5). Le coefficient de perméabilité Kfs semble aussi
indépendant de la quantité de pores ronds, fissures et amas de pores. Il est donc difficile
de savoir si la perméabilité est liée à la taille des pores et/ou à leur forme.
Tableau 3: Coefficient de perméabilité Kfs des sols étudiés
Secteur
Kfs (cm.h-1)
Horizon 1
0.41
Arboretum
0.4
Bande Boisée
Parc Sud
5.01
Triangle Interpol
6
Horizon 2
0.45
0.05
10.29
5.97
Kfs (cm.h1)
Macroporosité
Pores ronds
100
Fissures
Amas de pores
10
1
0.1
Aire (%)
0.01
0
10
20
30
Figure n°5 : Relation entre perméabilité et macroporosité
IV - CONCLUSION
Cette étude a permis de souligner l’influence des conditions de mise en place sur les
propriétés physiques des Anthroposols reconstitués. Une mise en place grossière (à la
benne) entraîne des densités apparentes plus élevées et une diminution de la taille des
pores par rapport à une mise en place plus soignée, réalisée à la pelle mécanique.
L’utilisation de matériaux humides lors de la mise en place est à l’origine de sols
nettement plus denses, caractérisés par une macroporosité très inférieure à celle observée
pour des sols installés en conditions sèches.
Les résultats obtenus par analyse d’image ont permis d’une part de confirmer les
observations de densités apparentes réalisées in situ, d’autre part de caractériser
l’évolution des matériaux mis en place. Les images montrent que la répartition de la
macroporosité entre pores ronds, fissures et amas de pores varie en fonction du type de
sols et de l’humidité des matériaux à la mise en place.
Les paramètres physiques ont été étudiés sur des échantillons distincts et de taille
variable, ce qui peut être à l’origine d’une mauvaise corrélation.
V - Remerciements à SCIENCIL, observatoire de l’arbre urbain, aux services espaces
verts de Lyon et Villeurbanne, la Communauté Urbaine de Lyon, la SEM SPAICIL.
VI - REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
BAIZE D., ROSSIGNOL J.P., 1992. -Référentiel pédologique. INRA Ed., Paris, 222p.
CHEN C., THOMAS D.M., WAGENET R.J., 1993. -Two domain estimation of
hydraulic properties in macropore soils. Soil Sci. Soc. Am. J., 57, 680-686.
FRADIN V., 1997. -Les Anthroposols reconstitués des espaces verts de la Cité
Internationale de Lyon : étude de propriétés physiques et de leurs corrélations.
Mémoire de fin d’études ENITHP, Angers, 53 p.
HALLAIRE V., COINTEPAS J.P., 1993. -Caractérisation de la macroporosité d’un sol
de verger par analyse d’image. Agronomie, 13, 155-164.
REYNOLDS W.D., ELRICK D.E., 1985. -In situ measurement of field-saturated
hydraulic conductivity, sorptivity, and the α-parameter using the Guelph permeameter.
Soil Science, 140 (4), 292-302.
Mots clés : anthroposols reconstitués, densité apparente, analyse d’image,
macroporosité, espaces verts
Keywords : reconstituted anthropic soils, bulk density, image analysis, macroporosity,
landscape areas
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