Les méthodes visuelles d’évaluation de la structure du sol au service d’une démarche clinique en agronomie
Hubert Boizard1 (*), Joséphine Peigné2, Jean-François Vian2, Annie Duparque3, Vincent Tomis3, Alice Johannes4, Pascale Métais5, María Carolina Sasal6, Pascal Boivin7 et Jean Roger-Estrade9
1INRA, UPR1158 AgroImpact, 80200 Estrées-Mons, France
2ISARA-Lyon, 69364 Lyon, France
3Agro-Transfert Ressources et Territoires, 80200 Estrées-Mons, France
4Agroscope Station fédérale de recherche agronomique, Département d’Agroécologie en Environnement, groupe de qualité et gestion des sols, Reckenholzstrasse 191, 8046 Zürich, Suisse
5Arvalis Institut du végétal, Biopôle Clermont Limagne, 63360 Saint Beauzire
6INTA EEA Paraná, 3101 Oro Verde Entre Rios, Argentina
7HEPIA - HES-SO Genève, 150 route de Presinge, 1254 Jussy, Switzerland
9UMR Agronomie, AgroParisTech, INRA, 78850 Thiverval-Grignon, France
9Université Paris-Saclay, 78850 Thiverval-Grignon, France
*Auteur correspondant : hubert.boizard@gmail.com
Résumé
L’attention portée à la structure du sol connaît actuellement un regain d’intérêt, en relation avec l’évolution et la diversification des pratiques de travail du sol et la conception de systèmes de culture plus agro-écologiques. Les méthodes visuelles ont largement été utilisées pour évaluer et porter au champ un diagnostic sur la structure du sol. Dans ce numéro, nous passons en revue les principales méthodes et regardons leurs atouts et limites. Les méthodes se différencient en deux grands groupes suivant les modalités d’échantillonnage des volumes de sols observés : les méthodes basées sur la description de la face d’observation d’un profil de sol comme le profil cultural et les méthodes « bêche » basées sur la description de blocs de sol extraits de la parcelle. Elles utilisent toutes les mêmes types de critères pour observer l’état structural : l’analyse des vides du sol à travers une évaluation de la porosité visible à l’œil et l’organisation de la fraction solide (forme, distribution des tailles, le degré de cohésion des mottes, importance de la terre fine…). Cependant, la procédure d’évaluation de la structure est très différente suivant les méthodes. Le profil cultural privilégie une analyse spatiale de l’état structural pour inférer sur sa genèse alors que les méthodes « bêche » conduisent à une note globale de la qualité de la structure du sol. Cette revue montre que nous disposons de plusieurs méthodes fiables, qui peuvent être choisies en fonction des objectifs poursuivis et de leur plus ou moins grande facilité de mise en œuvre.
Mots-clés : évaluation visuelle du sol, structure du sol, profil cultural, VESS
Abstract
Visual methods for assessing soil structure in support of a clinical approach in agronomy
The attention paid to soil structure is growing in relation to the evolution and diversification of tillage systems and the move towards to more agro-ecological systems. Visual methods have been widely used to evaluate and make a diagnosis of soil structure in field conditions. In this issue we review the main methods and look at their strengths and limitations. The methods are divided into two main groups according to the sampling methods: the methods based on the description of the vertical face of a soil profile and the "spade" methods based on the description of soil blocks extracted from the plot. The different methods use the same type of criteria to evaluate the soil structure: the analysis of the voids of the soil through an evaluation of the visible porosity visible and the organization of the solid fraction (shape, the size distribution, the degree of cohesion of clods, proportion of fine aggregates ... However how to evaluate the soil structure is very different between methods. The “profil cultural” method favours a spatial analysis of the soil structure to infer on its genesis whereas the "spade" methods assign an overall score to evaluate the soil structure quality. The review shows there are several reliable visual methods, but the differences in the way to evaluate soil structure and in the implementation of the methods mean that the choice of methods must be made according to the objectives pursued and the users.
Introduction
L’évaluation de l’état structural des couches superficielles du sol, qui forment le profil cultural tel que l’ont défini Hénin et al. en 1969, préoccupe depuis longtemps agriculteurs et agronomes. Mais l’attention portée à l’état structural du sol connaît actuellement un regain d’intérêt. Les causes sont multiples. Par exemple, l’évolution des matériels de récolte utilisés dans les systèmes de culture comprenant pommes de terre, légumes industriels et betterave à sucre, ou dans les systèmes de culture irrigués, conduisent à des risques accrus de tassement parfois très profonds (au-delà de 60 cm), malgré les précautions prises par les fabricants (passage de deux à trois essieux, roues avant et arrière décalées, pneumatiques adaptés). L’évolution et la diversification des pratiques de travail du sol, comme le non labour, le travail réduit du sol ou l’adoption des méthodes de l’agriculture de conservation modifient profondément les conditions d’évolution de la structure, ce qui nécessite une surveillance particulière de cette dernière.
L’intérêt porté à la structure du sol est justifié car cette caractéristique influence la plupart des fonctions qui sous-tendent les services écosystémiques attendus des sols cultivés (production de biomasse, régulation de la circulation et de la qualité des eaux, réduction des émissions de gaz à effet de serre, stockage du carbone, limitation de l’érosion...). La structure du sol joue en particulier un rôle important sur les conditions de vie des organismes vivant dans le sol, car elle conditionne les régimes thermique et hydrique, la circulation de l’eau ou celle de l’oxygène (Mueller et al., 2013).
La structure du sol se définit comme l’ensemble des caractères liés à la disposition spatiale des particules du sol ainsi qu’à la nature et à l’intensité des liaisons qui existent entre elles (Stengel, 1990). Elle évolue en permanence au sein d’une parcelle, le sol étant soumis à trois types d’effets. Affectant l’agencement de la phase solide du sol, ces effets déterminent aussi l’évolution de l’espace des vides, c’est-à-dire de l’espace poral, dont ils affectent le volume et la géométrie (distribution des tailles de pores, connectivité) (Dexter, 1988). Le premier effet est celui du travail du sol. Les opérations de travail du sol fragmentent et, éventuellement, déplacent le sol (e.g. retournement par la charrue), tout en enfouissant et/ou mélangeant plus ou moins la terre avec la matière organique (Roger-estrade et al., 2004). Le second effet est celui du compactage lié aux passages d’engins. La circulation des engins peut induire un tassement plus ou moins important de la parcelle cultivée, qui se caractérise par l’intensité du tassement, la proportion de la surface touchée et la profondeur atteinte. Ce tassement varie en fonction de l’humidité au moment des passages, du poids des machines, de la largeur des outils et des pneumatiques et de la fréquence des interventions. Le troisième effet est celui des « agents naturels ». Ils sont de trois ordres : (i) les conditions climatiques (variations d’humidité du sol ou action du gel) vont favoriser la création de porosité et la fragmentation des agrégats de façon plus ou moins intense suivant le type et la teneur en argile ; de même la pluviométrie peut, suivant son intensité et le type de sol, favoriser la dégradation de l’état de surface (croûte de battance) ou la reprise en masse, plus en profondeur ; (ii) le système racinaire contribue à l’évolution de la structure du sol, de manière très variable en fonction de ses caractéristiques (perforations à l’échelle fine par le chevelu des radicelles ou perforation par des racines de diamètre plus « important ») et des conditions d’humidité lors de sa croissance ; (iii) la faune et la flore du sol enfin exercent un effet sur la structure à travers plusieurs mécanismes : contribution à l’augmentation de la stabilité structurale par la microflore du sol (Chenu et al., 2011), contribution au processus d’agrégation (Cosentino et al., 2006), création de galeries par les lombriciens (Capowiez et al., 2013 ; Bottinelli et al., 2015), réorganisation du système poral (Kravchenko et al, 2019).
De fait, la dynamique de la structure du sol est un phénomène complexe. Ainsi, deux enjeux majeurs sont attachés à l’observation de la structure : il s’agit à la fois (i) d’apprécier la part de ces différents effets (e.g. activité biologique ou roulement) sur l’état observé, y compris en tenant compte des interactions entre effets, et (ii) d’évaluer la qualité de la structure, c’est-à-dire de faire un diagnostic et un pronostic sur l’impact qu’elle a ou qu’elle aura sur les fonctions des sols cultivés mentionnées ci-dessus.
Depuis les années soixante, dans plusieurs pays à travers le monde, de très nombreux chercheurs ont mis au point des méthodes d’évaluation de l’état structural. Dans ce numéro, consacré aux démarches d’agronomie clinique, nous comprenons ces deux termes comme la contribution de la discipline à l’évaluation in situ du fonctionnement des agroécosystèmes et à l’identification éventuelle de symptômes de dysfonctionnement en utilisant des moyens d’observation simples, par analogie avec la pratique d’un médecin généraliste auscultant un patient. Nous nous limiterons ici aux méthodes d'évaluation visuelle de l’état structural du sol, utilisées directement sur le terrain et pouvant permettre d’identifier les causes qui sont à l’origine des états observés.
Ces méthodes visent principalement à décrire la « macrostructure », c'est-à-dire ce qui, de la structure et de la porosité, est visible à l'œil nu ou appréciable à travers des manipulations simples (fragmentation à la main des mottes pour en apprécier la consistance par exemple) (Ball et al., 2007 ; Baize et al., 2013). Toutes ont trois défis à relever : le premier est celui de la prise en compte de la variabilité spatiale de la structure du sol, qui peut être très forte. Par exemple, les passages de roues créent une hétérogénéité dans le sens perpendiculaire au sens d’avancement des engins ou les outils successifs travaillent le sol à différentes profondeurs, ce qui crée également une hétérogénéité verticale. Ce point renvoie à la manière d’échantillonner le volume de sol observé (localisation des observations, profondeur, nombre d’échantillons prélevés). Le second défi est celui du choix du système de description de la structure. Les variables descriptives retenues doivent en effet permettre de porter un jugement sur les conséquences en termes de fonctionnement du sol (activité biologique, propriétés de transfert, résistance à la pénétration des racines, etc.) et donc pouvoir être reliées à des propriétés mesurables. Idéalement, elles doivent aussi permettre d’identifier les facteurs ayant conduit à l’état observé. Le troisième défi est celui de la reproductibilité : les observations ne doivent pas dépendre de l’observateur et doivent pouvoir être répétées d’une situation à l’autre, pour pouvoir comparer des résultats obtenus par différents observateurs à différents endroits sur une base rigoureuse. La description faite ne doit pas non plus être contingente de la date d’observation ou du type de sol et la méthode doit pouvoir être déployée sur une large gamme de situations (en termes de texture, d’humidité du sol, de pratiques culturales).
Les méthodes de caractérisation visuelle et tactile de la structure des sols cultivés se répartissent en deux grands groupes : les méthodes basées sur la description in situ de la face d’observation d’une fosse (en général creusée perpendiculairement au sens d’avancement des outils) ou sur la description de blocs de sol extraits de la parcelle (Boizard et al, 2005 ; Batey et al., 2015 ; Emmet-Both et al., 2016).
Nous présentons dans cet article les principales méthodes de chacun des deux groupes en les décrivant succinctement. Dans une seconde partie, nous analysons les atouts et limites des différentes méthodes pour conclure sur leur aptitude à répondre aux différents usages possibles. Une série de témoignages illustrera ensuite la manière dont ces méthodes ont été utilisées, évaluées ou améliorées dans différents contextes.
Méthodes visuelles de caractérisation de la structure basées sur la description de la face d'observation d'un profil de sol
Dans ces méthodes, la fosse fait entre 0,60 m et 1,50 m de profondeur et quelques mètres de large. Le choix des dimensions de la fosse dépend de l’objectif en termes d’analyse de la variabilité spatiale. Si plusieurs méthodes existent de par le monde, plus ou moins inspirées de la description du profil pédologique, la plus aboutie au plan conceptuel reste la méthode de description de l’état structural du profil cultural décrite dans Gautronneau et Manichon (1987) et pour laquelle Boizard et al. (2017) ont proposé quelques modifications pour la rendre plus apte à tenir compte des modes de travail du sol.
La méthode de description de l’état structural du profil cultural
Présentation de la méthode
Dans les années 1960, S. Hénin propose le concept de profil cultural défini comme "l'ensemble constitué par la succession des couches de terre, individualisées par l'intervention des instruments de culture, des racines des végétaux et des facteurs naturels réagissant à ces actions" (Hénin et al., 1960 ; 1969). Le profil cultural devient ainsi un objet clairement distinct du profil pédologique. Cependant, la méthode de description de l’état structural du sol s’inspire encore largement de la description de la structure du sol définie par les pédologues (par exemple typologie de la forme des agrégats : polyédriques, arrondis, sub-anguleux…). Et pourtant, par comparaison à la démarche de description du profil pédologique, celle adoptée pour décrire le profil cultural prête peu attention aux processus pédogénétiques (même s’il y a un regard porté sur les symptômes d’engorgement ou d’acidité).
Il était donc nécessaire de proposer une méthode de description plus en accord avec les objectifs poursuivis par la description de la structure : comprendre les effets des outils et l’impact de la composante physique de l’état du sol sur le fonctionnement des plantes. Cette méthode a été formalisée par Manichon en 1982, puis présentée, avec un souci de vulgarisation, dans un guide méthodique (Gautronneau et Manichon, 1987). Elle accorde une grande importance à la prise en compte de la variabilité spatiale de la structure (qui résulte de l’effet des outils et des pneumatiques sur le sol) en réalisant une partition latérale et verticale de la face d’observation, aboutissant à la délimitation de compartiments (figure 1). Dans chacun de ces compartiments, la structure est observée avec des critères différents de ceux utilisés par les pédologues et choisis pour permettre de porter un diagnostic sur les conséquences de la structure sur le fonctionnement du champ cultivé, l’analyse de l’origine des états observés ainsi que des pronostics sur son évolution.
Deux groupes de critères ont été retenus :
- le premier porte sur l’organisation des éléments structuraux. Il s’agit de décrire le calibre et le mode d’assemblage des mottes et de la terre fine (agrégats infra centimétriques). Manichon (1982) a proposé une double nomenclature pour décrire l’arrangement des mottes et agrégats. La première repose sur la façon dont les éléments structuraux sont agrégés (F comme « fragmentaires », SF comme « soudés facilement discernables », SD comme « soudés difficilement discernables » et M comme « massifs ») ; la seconde est une appréciation plus globale au niveau de chaque compartiment : O (comme « Ouvert ») correspond à un état très fragmenté avec la présence de terre fine, de petits agrégats et de mottes ; B (comme « Bloc ») à la présence de mottes décimétriques séparées par des cavités structurales plus ou moins importantes et C (comme « Continu ») un état massif sans discontinuités structurales.
- Le second groupe de critères porte sur la caractérisation de l’espace poral. Il s’agit de caractériser l’importance et le type de porosité au sein des mottes. Les mottes de type Delta se caractérisent par une absence de porosité visible à l’œil et, par conséquent, une masse volumique élevée (De Leon, 1991 ; Guérif et al., 1994). Les mottes de type Gamma, à l’inverse, résultant de l'agglomération d’agrégats de sol sous l'effet de l’humidité, de contraintes modérées, de l'activité biologique présentent une porosité visible à l’œil importante et, par conséquent, une résistance à la pénétration plus faible et un taux d'infiltration plus élevé que le type Delta (de Leon, 1991 ; Boizard et al., 2013a). Enfin, les mottes F sont des mottes Delta fissurées sous l’effet du retrait et/ou du gel qui présentent donc une porosité de type fissurale très caractéristique et aisément identifiable à l’œil nu.
La description elle-même prend la forme d’un schéma de la face d’observation qui permet de positionner les différents états identifiés, sur lequel on ajoute quelques informations complémentaires (e.g. localisation de la matière organique fraîche et état de décomposition, présence de racines, traces d’activité biologique, fentes de retrait…) (figure 2). Le schéma est accompagné de plusieurs tableaux pour noter des informations complémentaires qui permettent non seulement d’évaluer la qualité globale de la structure du profil mais également de faire des hypothèses sur l’origine des états observés, selon une démarche d’analyse qui valorise la diversité spatiale des états structuraux, car elle se fonde sur la comparaison des états des différents compartiments qui structurent la face d’observation et sur un modèle conceptuel de passage entre les types de porosité (figure 3).
Figure 1. Principe de la stratification de la face d'observation d'un profil de sol. Stratification verticale : H1, lit de semences ; H5, horizon labouré non repris ; H6, ancien labour ; P1, premier horizon pédologique. Stratification latérale : L1, partie du profil située sous les traces de roue des opérations effectuées après la préparation superficielle du sol (visible à la surface du sol) ; L2, partie du profil située sous les traces de roues lors de la préparation superficielle du sol (non visible à la surface) ; L3, la partie du profil non affectée par les passages de roues depuis le dernier labour (d’après Gautronneau et Manichon, 1987)
Figure 2. Schéma de la face d’observation du profil cultural (Gautronneau et Manichon, 1987)
Figure 3. Schéma des interrelations entre les différents types de porosité (ou états internes) d’après Hubert Manichon (1982)
Évolution de la méthode
Dans les systèmes sans labour, où le travail du sol est très simplifié voire supprimé complètement, la dynamique de la structure du sol est principalement liée aux effets des « agents naturels » (climat, racines et faune du sol), mais peut être aussi perturbée par le tassement. Sasal (2012) en Argentine et Boizard et al. (2013a) en France ont montré l’importance de bien prendre en compte différents processus de fissuration à l’œuvre dans les situations de semis direct ou travail réduit. Ils ont ainsi distingué deux types d’état internes fissurés : (i) un état avec un système de fissures orientées dans toutes les directions (l’état F antérieur) et un état interne caractérisé par un système de fissuration horizontal, conduisant à une structure lamellaire, importante à repérer car elle fait obstacle à l’infiltration et à l’enracinement (état R). Cette distinction a été introduite dans la méthode en 2017 par Boizard et al. (cf annexe 1 page 2). Par ailleurs, toujours dans les systèmes en non travail du sol, de nombreux travaux ont montré l’importance du rôle des lombriciens. En France, Capowiez et al. (2012) ont étudié leur effet sur la régénération des structures tassées ; Tomis et al. (2017) ont mis en évidence l’importance des macropores créés dans les horizons profonds par les vers de terre sur l’enracinement de la pomme de terre. Pour mieux rendre compte de ces actions sur la structure, un critère complémentaire a été introduit, précisant la présence de macropores ou de traces de bioturbation créés par les racines ou les lombriciens (voir annexe 1 page 2). Ce dernier critère s’appuie beaucoup sur les travaux de Piron et al. (2017) sur la porosité d’origine lombricienne. Prenant en compte ces modifications, le modèle conceptuel indiquant les processus qui permettent le passage d’un type de porosité à l’autre, a été modifié par rapport à la version initiale publiée dans Gautronneau et Manichon (1987), pour faciliter l’interprétation. Il est présenté dans l’annexe 1 page 4.
Autres méthodes basées sur la description de la face d'observation d'un profil de sol
D’autres méthodes basées sur l’évaluation de la face d’observation d’une fosse ont été décrites par Boizard et al. (2005) et sont présentées ici succinctement.
La méthode du profil complet (Whole profile assessment en anglais) a été développée en Écosse par Batey (2000). La description porte sur un profil de sol d’une profondeur comprise entre 0.60 et 1.20 m. L’objectif de la description est double : (i) observer les caractères permanents du sol pour analyser sa qualité intrinsèque (e.g. aptitude au drainage, RU…) et (ii) identifier des facteurs limitants résultant des pratiques culturales, comme par exemple le tassement des sols. Aussi la première étape s’apparente à la démarche mise en œuvre pour la description du profil pédologique alors que la seconde s’intéresse à la partie supérieure du sol, pour y détecter l’effet des opérations culturales sur la structure du sol. Pour ce faire, les critères utilisés portent sur la taille et la forme des agrégats, leur résistance mécanique appréciée au toucher, le degré de fissuration, l’étude de la forme et de la disposition des racines. La méthode prend en compte la variabilité spatiale de la structure verticalement avec la mise en évidence des horizons. Concernant la variabilité latérale, l’auteur suggère seulement d’éviter les zones de roulage. La description une fois réalisée, le diagnostic s’appuie sur l’expertise de l’opérateur à partir des critères observés (Batey, 1988 ; 2006). Le même type de démarche « expert » a été développée au Québec par Weill (2014), avec la mise en forme d’un guide pratique « Les profils de sol agronomiques – Un outil de diagnostic de l'état des sols ». Comparée à la méthode précédente, la principale différence porte sur l’aide aux utilisateurs : le diagnostic et l’interprétation s’appuient sur de nombreuses photos, visant à accompagner les conseillers dans la réalisation de profils de sol et à développer leur expertise.
L’approche développée par Batey (2000) a été reprise dans SOILpak en Australie (McKenzie, 2001a et b), qui constitue un système complet d’aide à la décision pour l’évaluation et la gestion de la qualité du sol. SOILpak peut être utilisé de différentes façons : (i) évaluer la qualité de la structure du sol, et en particulier les tassements après la récolte et (ii) évaluer l’aptitude d’un sol à recevoir de nouvelles cultures et choisir les pratiques les mieux adaptées (Batey et al., 2015). Comme pour le profil cultural, l’observation est menée à partir d’une fosse d'une profondeur de 1,5 m et d'une largeur supérieure à 3 m, perpendiculaire au sens du travail du sol. Mais contrairement aux méthodes précédentes, l’évaluation de l’état structural du sol s’appuie sur une note en fonction de la taille et de la forme des mottes, de leur résistance à la rupture, de leur porosité interne et du comportement des racines (figure 4). Lorsque SOILpak est utilisé pour évaluer le degré de tassement des sols, il est suggéré de choisir l’emplacement de la fosse par rapport aux passages de roues du matériel agricole et le diagnostic conduit à des recommandations pour améliorer la structure du sol.
Figure 4. Relation entre la note de structure du sol donnée par SOILpak et les recommandations pour réduire le compactage d’après McKenzie (2001a)
Méthodes basées sur la description de blocs de sols extraits de la parcelle
Il existe plusieurs méthodes que l’on peut classer en deux sous-groupes : celles où l’observation porte sur l’échantillon conservé en l’état et celles où l’observation porte sur les agrégats et les mottes (taille, forme, résistance mécanique…) qui sont décrits après fragmentation des échantillons. Dans le premier groupe, Görbing a proposé dès 1947 une évaluation qualitative de la structure de blocs intacts de sol. C’est Peerlkamp en 1959 qui proposa la première procédure quantitative et, à ce titre, est à la base des méthodes les plus récentes d’après Emmet-Both et al. (2016). Dans le second groupe, les approches sont inspirées de la pédologie, donnant une importance considérable à l’aspect des agrégats et des mottes, considérés comme révélateurs des processus de structuration du sol. Ainsi par exemple, la méthode FAL (Hasinger et al., 2004) propose une typologie très précise des agrégats en fonction de leur forme, taille, couleur, aspect.
Dans cet article, nous présenterons trois méthodes, utilisées en Europe, en Nouvelle-Zélande et en Amérique du Sud. Les deux premières sont dites « méthodes bêche » en raison de la procédure de prélèvement des échantillons. L’une (VESS) appartient au premier groupe et l’autre (VSA) appartient au second. La troisième méthode repose sur l’examen d’un bloc plus important prélevé à l’aide d’une fourche télescopique montée à l’avant d’un tracteur (Mini profil 3D).
La méthode VESS (Visual Evaluation of Soil Structure)
Cette méthode a été développée initialement par des chercheurs danois et écossais avec pour objectif d’être facile d'utilisation et reproductible (Ball et al., 2007 ; Guimaraes et al., 2011). La procédure consiste à prélever des blocs de terre à l’aide d’une bêche, sur une profondeur un peu supérieure à la profondeur de labour. L’échantillonnage est aléatoire dans la parcelle. L’observateur attribue ensuite une note à chaque couche de sol identifiable dans le bloc. Ces notes permettent de calculer une note globale de la qualité de la structure du bloc. Le calcul de cette note est réalisé à partir de l’évaluation visuelle et tactile de quelques critères : porosité visible à l’œil, façon dont les fragments se brisent sous une légère pression, taille et forme des agrégats ou mottes qui résultent de cette action de fragmentation... Les notes sont données en utilisant une charte de référence qui permet de référer l’observation à des états structuraux types (voir page 2 de l’annexe 2). La représentativité de l'observation est assurée grâce à cinq à dix répétitions par zone homogène de la parcelle. Le guide pratique de la méthode a été diffusé en français par Boizard et al. (2013b), puis mise à jour par un collectif regroupé autour de Karine Gondret en Suisse. Cette dernière version est présentée en annexe 2.
La méthode est aujourd’hui largement diffusée dans le monde (Franco et al., 2019). Elle est bien adaptée pour réaliser un diagnostic rapide de la structure au champ. Dans l’objectif de faciliter la mise en œuvre de VESS dans le cadre d’un suivi agricole, un projet est conduit en Suisse pour développer une application mobile pour Smartphone à des fins de formation et d’apprentissage (témoignage de Johannes et al. dans ce numéro)). Guimaraes et al. (2017) et Pulido Moncada et al. (2014a) ont aussi montré l’intérêt de VESS pour le suivi de la qualité physique des sols. Johannes et al. (2017) ont prolongé ce travail en combinant VESS et mesures des propriétés physiques du sol, sur un cylindre de sol pris au cœur de l’échantillon, appelé CoreVESS. CoreVESS a été développé dans le but d’établir des valeurs de référence pour la qualité structurale des sols en Suisse. L’utilisation du CoreVESS, sa corrélation avec les propriétés physiques et le développement de valeurs seuils seront approfondis dans le témoignage de Johannes et Boivin de ce numéro. En France, la méthode bêche est utilisée sous sa forme originelle, mais aussi avec des variantes en utilisant des critères provenant de la méthode du profil cultural. Dans ce cas, l’objectif est de disposer d’une méthode complémentaire du profil cultural, mais plus facile à mettre en œuvre (témoignage de Peigné et al. de ce numéro).
La méthode VSA
La méthode VSA (Visual Soil Assessment) a été développée en Nouvelle Zélande par Shepherd (2000 ; 2009). L’objectif de l’auteur est de proposer une méthode simple, rapide à mettre en œuvre à faible coût pour évaluer la qualité du sol et l’effet de la structure sur la croissance des plantes. Elle a été traduite en français par Boizard et al. (2013). La méthode utilise des indicateurs qui portent non seulement sur les caractères physiques du sol (texture, résistance mécanique, porosité, couleur) mais aussi sur son comportement (présence d’une croûte de battance, d’eau libre en surface ou de marbrures signes d’hydromorphie, traces d’érosion ou odeur du sol…), sur le comportement de la végétation (profondeur potentielle d’enracinement, taux de couverture par les plantes) et sur l’activité biologique (abondance et traces de vers de terre). Cet ensemble de critères aboutit à une évaluation synthétique de la qualité du sol, qui agrège des propriétés intrinsèques du sol avec des comportements qui dépendent en grande partie du système de culture et du climat.
Concernant l’état structural du sol, la procédure repose sur la prise de plusieurs bêchées et sur le calcul d’une note globale, comme pour VESS. La principale différence est liée à la façon dont on sépare les fragments de sol. Dans VESS, l’opérateur manipule doucement le bloc en utilisant les deux mains pour révéler les fragments cohérents, puis brise les plus grosses mottes et les fragmente jusqu’à obtenir une taille de 1.5 - 2.0 cm pour étudier leur apparence après rupture. Dans VSA, l’opérateur fait tomber le bloc d’une hauteur de 1 m et au maximum 3 fois sur une surface dure, par exemple dans un bac en matière plastique. Après avoir placé le prélèvement sur une bâche blanche, l’opérateur exerce une pression douce avec les doigts pour séparer les agrégats et regroupe les fragments en fonction de leur taille. La distribution des fragments est comparée avec des photos représentant les états types et une note est attribuée (figure 5).
Figure 5. Illustration des états types utilisés pour attribuer une note avec la méthode VSA (Shepherd, 2000).
Une méthode intermédiaire : le Mini Profil 3D
Cette méthode a été proposée par Tomis et al. (2019). Elle consiste à prélever des blocs de sol d’un mètre cube environ avec les palettes d’un chargeur télescopique. La taille du bloc permet une description de la structure et de sa variabilité qui s’inspire fortement de la méthode renouvelée de description de l’état structural du profil cultural (Boizard et al., 2017). En particulier, les critères de description et le principe de stratification de la face d’observation sont conservés (Cf annexe 3). Aussi on peut considérer que cette méthode est intermédiaire entre les deux groupes « description de profils de sol » et « description de blocs de sol extraits de la parcelle ». En pratique, le bloc est soulevé doucement avec la fourche et porté à hauteur des yeux. L’observation réalisée, le bloc est reposé dans la fosse initiale, limitant les perturbations du sol. La méthode a été comparée avec celle du profil cultural : le mode de prélèvement n’occasionne pas de biais pour l’observation de l’état structural du sol. Cependant la taille de la surface à observer étant moindre, le prélèvement est répété trois fois. La méthode est très prisée des conseillers et agriculteurs.
Comparaison des atouts et limites des différentes méthodes
Nous comparons les méthodes en utilisant la grille de lecture définie par les trois défis à relever mentionnés en introduction : prise en compte de la variabilité spatiale, choix des critères, reproductibilité. Nous conclurons en positionnant les méthodes suivant les usages.
Prise en compte de la variabilité spatiale
Les méthodes reposant sur l’analyse d’un profil de sol permettent de prendre en compte la variabilité spatiale de la structure dans deux dimensions de l’espace : verticalement, en repérant les différents horizons et horizontalement, en général perpendiculairement à la direction d’avancement des outils (McKenzie, 2001a et b ; Roger-Estrade et al., 2004). Toutes les méthodes accordent une attention particulière à la variabilité dans le sens vertical, à travers le repérage des horizons, comme on le fait en pédologie pour décrire un pédon. Par contre, la variabilité dans le sens horizontal est plus ou moins bien considérée. C’est la grande force de la méthode du profil cultural de bien prendre en compte la variabilité spatiale de la structure, variabilité qui de plus est valorisée dans l’élaboration du diagnostic. Pour cette méthode, la localisation de la fosse est très importante : elle doit être choisie en fonction de la géométrie des passages des outils (largeurs de travail, localisation des passages). Les indications données pour les autres méthodes quant à la largeur du profil et à la localisation de la fosse sont peu précises et, finalement, ces autres approches considèrent la variabilité spatiale comme un obstacle pour la description plutôt que comme un atout pour comprendre la genèse des états observés, quand elles ne font pas implicitement l’hypothèse que la structure est homogène.
Les méthodes basées sur des prélèvements de blocs de sol prennent en compte la variabilité spatiale de la structure à travers l’échantillonnage. Ball et al. (2007) suggèrent un minimum de 10 répétitions pour une zone homogène avec possibilité de réduire à 5 sur de petites parcelles expérimentales. Leopizzi et al. (2018) ont montré sur deux parcelles que cinq répétitions suffisaient à détecter un changement de note de 0.5. L’échantillonnage préconisé est de type aléatoire, mais Ball et al. (2007) suggèrent de réaliser une stratification préalable de la parcelle, par exemple en repérant les passages de roues des engins quand elles sont visibles, pour améliorer le diagnostic global. Néanmoins seul le profil cultural propose une recherche systématique des passages de roues visibles (L1) et non visibles (L2) en surface.
Validité des critères de description et du système de notation
De nombreux travaux ont porté sur la pertinence des critères par rapport à leur capacité à traduire des propriétés physiques et hydriques. Le nombre de publications scientifiques sur ces méthodes est relativement élevé : 57 études recensées pour VESS d’après Franco et al. (2019), plus de 30 pour le profil cultural et moins de cinq pour VSA.
Toutes les méthodes s’appuient sur deux groupes de critères principaux :
- Le premier groupe de critères porte sur les vides du sol, à travers une évaluation de la porosité visible à l’œil, dont on détermine l’importance, mais aussi l’origine (biologique, climatique …). Aucune méthode ne propose d’évaluation directe de la connectivité ou du caractère fonctionnel ou non de la porosité, ce qui est très difficile à faire au champ. Toutefois, ceci peut être réalisé par des tests complémentaires (infiltrométrie par exemple) relativement faciles à mettre en œuvre. Plusieurs études ont été menées dans le but d’objectiver les critères de description ou de notation de la structure. À titre d’exemple, la figure 6 montre les valeurs de porosité structurale mesurée en laboratoire sur des mottes classées comme ayant un état interne Delta : les valeurs de porosité structurale mesurées sont regroupées et très faibles (< 6%) au sein de ces mottes, ce qui confirme le lien entre ce critère et le degré de tassement. Plusieurs autres études ont confirmé ce résultat. Le témoignage de Johannes et Boivin de ce numéro rend compte d’une étude sur le lien entre les valeurs de notation de la méthode VESS et les propriétés des échantillons de sol évaluées au laboratoire en modélisant la courbe de retrait. Ces travaux montrent qu’il est possible de relier la notation VESS pratiquée sur de petits échantillons avec des valeurs de diffusion de l’air ou de l’eau, évaluées au potentiel hydrique – 100hPa.
- Le second type de critère porte sur la fraction solide du sol : il s’agit de décrire l’organisation de cette fraction à travers la forme, la distribution des tailles, le degré de cohésion des éléments entre eux, la résistance mécanique des mottes. La procédure d’évaluation diffère suivant la méthode. Dans VESS, le type d’agrégation est noté suivant une charte de référence après avoir brisé les fragments sous une légère pression jusqu’à obtenir une taille de 1.5 - 2.0 cm ; dans VSA, les fragments sont séparés par l’opérateur en faisant tomber le bloc d’une hauteur de 1 m ; dans le profil cultural, une première appréciation est faite lors du travail de la face du profil avec le couteau, qui permet de déterminer l’organisation des mottes (O, B et C), puis des fragments sont prélevés dans chaque unité morphologique pour préciser le type de porosité avec présence ou absence de fissures et de macropores d’origine biologique. Quelle que soit la méthode, plusieurs auteurs soulignent qu’il est difficile d’évaluer de façon fiable et répétitive le mode d’organisation de la phase solide du sol. La mise en évidence de la distribution des tailles de mottes dépend de la résistance à la rupture, qui elle-même est une fonction de l’humidité du sol (Emmet-Both et al., 2016 ; Pulido Moncada et al., 2017). Par ailleurs, l’application d’une pression faible sur un échantillon afin d’évaluer les tailles des fragments de sol est une procédure mal définie (Batey et al., 2015). Très clairement, les recherches en ce domaine sont actuellement trop rares.
Figure 6. Diagramme de porosité des mottes Delta et Gamma. Les données ont été acquises sur l’essai « systèmes de culture et structure du sol» à l’Inra d’Estrées-Mons en 2002. Chaque échantillon correspond à un cylindre de 5 cm de diamètre et 5 cm de hauteur prélevé dans des zones identifiées Delta ou Gamma (Boizard, non publié).
Le système d’évaluation globale de la structure est très différent entre les trois méthodes. Avec le profil cultural ou le Mini profil 3D, l’analyse est qualitative, à partir de la localisation des états structuraux dans le profil et le modèle conceptuel d’évolution de la porosité. Il est possible toutefois d’introduire des éléments de quantification, en calculant par exemple la proportion des volumes tassés (proportion d’état interne Delta? sur la face d’observation, pour estimer un degré de dégradation de l’état structural du profil (Coulomb, 1991). Avec les méthodes « bêche », l’évaluation est basée sur le principe d’un « scoring », c’est-à-dire sur l’attribution d’une note globale de qualité de la structure, en intégrant les valeurs des différents critères (porosité, taille des agrégats…). Il s’agit toujours d’une approche qualitative de la structure, mais l’esprit est différent, car il repose sur l’idée qu’il existe une « qualité » de la structure. Or ce concept ne va pas de soi : en effet un état structural donné peut être favorable pour une fonction du sol et défavorable pour une autre ; de même deux états différents peuvent être identiquement favorables à une fonction donnée. Par conséquent, la manière de construire la note de « qualité de la structure » renvoie à une conception de ce qu’est la « qualité de la structure » et l’objectif poursuivi. Elle varie donc suivant les auteurs. Dans la méthode VESS, on n'attribue pas de note à chaque critère pris individuellement, mais la note globale est basée sur une combinaison donnée de l’état de chacun des critères. Dans la méthode VSA, l’auteur introduit un système de pondération entre critères, ce qui revient non seulement à considérer que certains sont plus importants que d’autres mais également à quantifier cet écart (i.e. le degré de développement de la structure compte deux fois moins que le comptage des vers de terre ou la couleur).
De nombreux travaux ont évalué la fiabilité de ces méthodes en reliant l’évaluation de la qualité physique de la structure à ses conséquences sur le fonctionnement des plantes ou la circulation de l’eau dans le sol. C’est le cas de Tardieu (1988), Desbourdes-Coutadeur (2002) et Coquet et al. (2005) avec la méthode de description du profil cultural, ou de Mueller et al. (2013) avec VSA et VESS. McKenzie (2001b) a montré que l’approche visuelle et tactile dans SOILpak était au moins équivalente à l’utilisation d’une large gamme de tests physiques pour apprécier la qualité de la structure. Pulido Moncada et al. (2014b ; 2017) ont toutefois montré certaines divergences entre l’évaluation morphologique et les propriétés physiques dans certains types de sol et suggèrent des études complémentaires pour mieux caler les indicateurs sur des mesures physiques.
Reproductibilité
Le niveau d’expertise nécessaire est un point important. Il est relativement différent d’une méthode à l’autre. VESS est la méthode la plus facile à mettre en œuvre, puisque le nombre de critères est réduit, la procédure est simple et aboutit à une note unique. De plus, une charte graphique (annexe 2) facilite la notation. Une formation de quelques heures suffit pour qu’un opérateur mette en œuvre la méthode. La méthode VSA est plus exigeante que la méthode VESS, essentiellement à cause du grand nombre de critères et de la difficulté à objectiver certaines observations comme le « degré de développement des mottes ». Le profil cultural et le Mini Profil 3D demandent une bonne expertise parce que l’identification des différents états et la préparation de la face d’observation requièrent une certaine expérience. Par ailleurs, toutes ces méthodes incluent un critère portant sur le degré de cohésion des éléments structuraux. Quelle que soit la méthode pour évaluer ce critère (l’application d’une pression faible, le « drop test », la résistance à la pointe du couteau), la résistance à la rupture est une fonction de l’humidité du sol. En conséquence les promoteurs de ces méthodes préconisent une gamme d’humidité pour pratiquer l’observation (ni trop sec, ni trop humide) qui reste à l’appréciation de l’opérateur. Néanmoins il serait souhaitable que des travaux de recherche soient conduits pour mieux évaluer les conditions optimales d’évaluation de ce critère et les biais introduits par la teneur en eau.
Enfin concernant leur utilisation dans des types de sol et des systèmes de culture variés, le principal point fort de toutes les méthodes mentionnées dans cet article est qu’elles peuvent être utilisées dans quasiment toutes les situations culturales (excepté les sols ayant une charge trop forte en cailloux).
Conclusion : quels usages et quelles complémentarités entre ces méthodes ?
Le tableau 1 présente une synthèse des modalités d’évaluation des différentes méthodes et leurs usages respectifs avec atouts et limites (tableau 1). Celui-ci a été établi à partir de comparaison de méthodes réalisées dans le cadre du groupe de travail de l’ISTRO sur les méthodes visuelles (Boizard et al., 2005), d’un mémoire de fin d’études (Renouard, 2007) et des revues de Batey et al. (2015) et Emmet-Both et al. (2016).
L’un des points forts de la méthode du profil cultural est la prise en compte de la variabilité spatiale de la structure, qui permet de remonter à l’origine des états structuraux observés. Cette méthode est très adaptée à des travaux pour évaluer l’effet des itinéraires techniques et des systèmes de culture. La description spatiale de la structure du sol fournit des informations permettant de mieux comprendre et analyser les effets du travail du sol, du compactage et des agents naturels sur la structure du sol et du sous-sol ainsi que leurs conséquences sur le développement et la croissance des plantes (Roger-Estrade et al., 2004). On peut citer des travaux où la méthode a montré tout son intérêt : l’étude des effets cumulatifs en fonction des systèmes de culture et des modalités de travail du sol (Boizard et al., 2002 et 2013), l’évaluation de l’état structural du sol et le développement de structures lamellaires en monoculture de soja en Argentine (Témoignage de De Battista et Sasal dans ce numéro) et l’évaluation des tassements profonds en systèmes avec betteraves et pomme de terre dans les Hauts de France (Tomis et al., 2017). L’utilisation combinée du profil et de transects pénétrométriques a aussi montré également son intérêt dans le cadre de travaux de remédiation (Témoignage de Suc et Ancelin dans ce numéro). Néanmoins la méthode demande un certain niveau d’expertise, elle est longue à mettre en œuvre et destructive.
Tableau 1. Description du mode d’évaluation et des usages possibles des méthodes visuelles avec atouts et limites
La méthode VESS s’est beaucoup développée à travers le monde depuis quelques années. Les principaux atouts sont la facilité d’usage et la rapidité de mise en œuvre. Aussi elle est bien adaptée pour réaliser un diagnostic rapide, par exemple pour un agriculteur dans la prise de décision immédiate sur l’opportunité ou non de tel ou tel passage d’outil et son réglage. Elle s’adresse à un public très large, qui va de l’agriculteur au chercheur, d’autant que son appropriation est simple grâce à la charte s’appuyant sur des photos pour aider l’utilisateur à faire sa notation. Le développement d’une application mobile devrait encore favoriser son utilisation (Cf témoignage de Johannes et al. dans ce numéro). Plusieurs auteurs ont montré une assez bonne correspondance avec les propriétés physiques et hydriques du sol, même s’il existe quelques réserves suivant le type de sol (Pulido Moncada et al., 2014a ; Johannes et al., 2017). Elle peut donc être utilisée pour le suivi de la structure des sols dans des situations où d’autres méthodes de caractérisation sont difficiles à mettre en œuvre ou comme indicateur dans le cadre d’approche plus globale sur la qualité des sols. Mais par rapport à la méthode de description du profil cultural, elle est moins performante pour analyser l’origine des états structuraux observés. Il faudrait pour ce faire adopter une stratégie d’échantillonnage adaptée, basée sur l’analyse préalable de la géométrie des passages de roues dans la parcelle. La méthode VSA s’est aussi développée ailleurs qu’en Nouvelle-Zélande. Par rapport à VESS, l’évaluation porte davantage sur la qualité globale du sol et sa mise en œuvre est plus longue pour deux raisons : le temps nécessaire pour classer les agrégats et le nombre de critères à évaluer.
La méthode du Mini profil 3D est une innovation intéressante dans la mesure où la méthode est plus souple et attrayante, comparée au profil, pour les agents du développement. Les premiers retours des utilisateurs montrent le grand intérêt des agriculteurs pour la méthode parce qu’elle est bien adaptée à un diagnostic en temps réel sur la parcelle. Par contre on ne peut pas pratiquer, comme pour la description du profil cultural, l’analyse comparée des différents compartiments. Pour ces deux méthodes, la principale difficulté est le niveau d’expertise de l’opérateur : un apprentissage d’au moins deux jours est nécessaire et l’expérience acquise dans des situations diverses de sols et de modalités de travail du sol facilitera l’observation.
Face à une demande croissante d’évaluation de l’état structural du sol au champ, les méthodes visuelles sont indispensables. Celles dont on dispose actuellement sont fiables et peuvent être adaptées à l’usage souhaité : il n’existe pas de méthode « passe partout », mais un choix à effectuer en fonction des objectifs poursuivis, du temps disponible pour la mise en œuvre et du niveau d’expertise de l’opérateur. Un exemple en est donné à travers le témoignage de Tomis et Duparque de ce numéro. De plus, elles peuvent être combinées ou intégrées dans des approches plus globales de la qualité physique des sols. Plusieurs exemples peuvent être cités : Turillon et al. (2018) reprennent et utilisent la méthode VESS pour évaluer la structure du sol en complétant cette appréciation par une notation des traces de bioturbation opérée par les vers de terre. Cette extension de la méthode VESS permet notamment de suivre plus explicitement et de façon simple, l’effet régénérant de l’activité lombricienne dans les sols tassés ; Dans Biofunctool®, Thoumazeau et al. (2019a et 2019b) proposent un outil d’évaluation de la qualité globale des sols en reprenant VESS pour évaluer la structure ; L’outil SubVESS (Ball et al., 2015) évalue les tassements profonds en couplant la réalisation d’un profil de sol avec une méthode de notation du type de celle proposée dans VESS.
En conclusion, face au besoin croissant d’évaluer des systèmes de culture en vue de systèmes plus autonomes, les méthodes visuelles permettent aussi bien de répondre aux besoins de diagnostics rapides au champ que de comprendre les processus induisant les changements dans les écosystèmes. Ces méthodes ont toute leur place dans la cadre d’une démarche « clinique » en agronomie.
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Annexes : Guides pratiques des méthodes du profil cultural, VESS et Mini Profil 3D
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