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 7