Évaluer visuellement la structure à l’échelle de l’échantillon : méthode et exemple d’application

En Suisse, la législation sur la protection des sols applique des seuils de diagnostic (valeurs indicatives, d’investigation et de remédiation), uniquement disponibles pour les polluants. Bien que la gravité des atteintes physiques aux sols soit désormais reconnue, les normes portant sur les propriétés physiques des sols sont vagues, difficilement applicables ou inexistantes, alors qu’il existe une forte demande sur le sujet (Alaoui et al., 2011). La principale raison est que la mesure des propriétés physiques est difficile, coûteuse et aléatoire. Une autre difficulté majeure est la détermination de valeurs physiques seuil. à partir de quelle référence indépendante peut-on considérer que la structure d’un sol et donc ses paramètres physiques sont acceptables ? En pratique, la référence la plus simple, la mieux acceptée et la moins coûteuse est l’évaluation visuelle effectuée par un spécialiste. Les limites physiques de référence pour la protection des sols Suisses ont été étudiées dans le projet STRUDEL [1] en prenant pour référence la méthode VESS (Ball et al., 2007 ; Guimaraes et al., 2011). La qualité de la structure du sol est notée de 1 à 5 à l’aide de critères principalement associés à la porosité structurale visible à l’œil nu. Autrement dit, les porosités et figures structurales utilisées dans le diagnostic VESS correspondent à des pores de drainage rapide et d’aération.

Pour le développement de valeurs seuil dans un cadre législatif, il est impératif de veiller à un haut degré de précision. Une difficulté importante avec les propriétés physiques des sols est leur variabilité (Gascuel-Odoux, 1987; Nielsen et al., 1973; Vauclin, 1982) qui dépend à la fois de la technique de mesure, de la dimension de l’objet mesuré (Sisson and Wierenga, 1981), et de l’échantillonnage.

L’évaluation VESS se fait à l’échelle d’un bloc extrait à la bêche, en faisant la moyenne de différents états physiques. Des comparaisons avec des mesures physiques ont été tentées (Guimaraes et al., 2013) mais ces dernières n’adressent pas le même objet : interface ou couche limitante pour l’infiltrométrie, monodimensionnel vertical pour le pénétromètre. La plupart des paramètres physiques sont déterminés au laboratoire sur des échantillons de sol non remaniés prélevés dans des cylindres de 100 à 300 cm³ de volume. Ces incohérences au niveau de l’objet de mesure entravent la comparaison entre les mesures physiques et l’évaluation visuelle. Pour pallier ces difficultés, il a été nécessaire d’adapter l’échelle de l’évaluation visuelle à la taille d’un échantillon et de noter la structure de l’échantillon sur lequel est effectuée la mesure. De plus les mesures physiques ont été faites par analyse du retrait (Boivin et al., 2004 ; Schaeffer et al., 2008, 2013), dont les résultats affichent une variance analytique beaucoup plus faible que les autres mesures physiques (Boivin, 2007). La méthode CoreVESS (Johannes et al., 2017b) a été développée pour ces raisons. Puisque l’observation visuelle de l’échantillon CoreVESS se déroule en laboratoire, il devient également possible de standardiser les conditions d’observations (potentiel matriciel du sol) et de rendre l’observation moins subjective (évaluation d’échantillons anonymes). Ces aspects augmentent la fiabilité de la méthode de laboratoire CoreVESS par rapport à une évaluation sur le terrain.

Dans ce témoignage, nous décrivons la méthode CoreVESS et présentons le résultat des mesures faites sur une série d’échantillons prélevés lors de différentes études. Nous montrons que l’évaluation visuelle est fortement corrélée aux propriétés physico-chimiques du sol et nous décrivons comment il est possible d’utiliser les évaluations visuelles pour définir des valeurs seuils de qualité physique ou des valeurs cibles de gestion de matière organique.

Prélèvement d’échantillons non remaniés

La première étape de mise en œuvre consiste à récolter des échantillons non remaniés. Il peut s’agir de mottes. Dans ce cas, il faut prendre garde au fait que les mottes apparentes ne sont pas toujours représentatives de l’état structural moyen. Le plus souvent on prélèvera des échantillons de sol non remaniés. Mais ces derniers doivent être en parfait état, et doivent être faciles à extraire du cylindre de prélèvement, pour examen de la structure après équilibrage à un potentiel matriciel standard. Or ceci n’est en général pas possible avec les cylindres en acier. C’est pourquoi un préleveur spécial a été mis au point (P. Zante et P. Boivin – non publié) qui permet de libérer l’échantillon au laboratoire avant sa ré-humectation. La plupart des échantillons ont une cohésion suffisante, mais cette manipulation nécessite une grande précaution dans le cas d’échantillons instables. Un échantillon libre est indispensable, car équilibrer l’échantillon à un potentiel standard dans le cylindre reviendrait à le contraindre sous la pression de gonflement, ce qui se ferait au dépend de la porosité structurale. En outre avec ce préleveur les échantillons n’ont pas besoin d’être recoupés, car le volume est mesuré au laboratoire (ci-dessous) dans de meilleures conditions que par arasement sur le terrain.

Équilibrage à un potentiel matriciel de -100 hPa

Le but de cette opération, qui se réalise sur une table à succion (sandbox), est de porter tous les échantillons à un potentiel matriciel homogène, ceci afin de limiter l’impact de l’hétérogénéité de l’état d’humectation sur le diagnostic visuel (difficulté à rompre les structures en particulier). La teneur en eau aux faibles potentiels est fortement corrélée à la teneur en carbone organique du sol (Goutal-Pousse et al., 2016) et c’est à -100 hPa que la meilleure corrélation est observée (Johannes et al., 2019). C’est par ailleurs un potentiel communément utilisé pour évaluer l’humidité à la capacité au champ. Dans ce qui suit, les échantillons libres de contrainte ont d’abord été portés à -10 hPa puis équilibrés à -100 hPa sur une table à succion.

Après équilibrage, l’échantillon est ouvert pour pouvoir observer la structure (Figure 1). La notation de la qualité de la structure se fait, comme pour le VESS, à l’aide d’une charte illustrée qui décrit des notes de 1 à 5 (1 étant la meilleure note et 5 la moins bonne). Avant d’attribuer une note générale, trois observations sont faites de façon systématique : (i) la difficulté à rompre, (ii) la porosité visible à l’œil nu et (iii) la forme des agrégats. Outre l’intérêt de pouvoir noter l’échantillon ayant fait l’objet de mesures physiques, ou de s’affranchir des problèmes d’états d’humidité différents, les échantillons peuvent être évalués anonymement. Attribuer la note indépendamment de la provenance de l’échantillon permet de se soustraire à la critique principale adressée aux méthodes d’évaluation visuelles, la subjectivité.

Propriétés analytiques des échantillons

Les notes de qualité structurale des échantillons ont été comparées aux caractéristiques de ces mêmes échantillons prélevés lors de différentes expérimentations, notamment rapportées dans (Johannes et al., 2017b, 2019). Dans ce qui suit, les données analytiques ont bien été obtenues, préalablement à l’observation CoreVESS sur les mêmes échantillons et non sur de la terre prélevée simultanément. Compte tenu de la sensibilité des mesures physiques effectuées en analyse du retrait et de l’influence du carbone organique sur ces propriétés, cette disposition est importante pour éviter une perte d’information due aux micro-variations locales.

Le carbone organique total (TOC) a été analysé par oxydation au dichromate selon Walkley and Black (1934). La teneur en argile a été déterminée par granulométrie en 5 fractions en sédimentation avec la méthode de la pipette. L’indice de vulnérabilité de la structure a été calculé comme le rapport TOC sur argile (Fell et al., 2018 ; Johannes et al., 2017a).

Les propriétés physiques présentées ici sont issus de l’analyse de la courbe de retrait d’échantillons de sol non remaniés, technique dont la capacité à établir un diagnostic d’atteinte physique à l’échelle du cylindre de sol non remanié a été largement établie (Boivin et al., 2006; Goutal-Pousse et al., 2016; Schäffer et al., 2013, 2008). Le volume spécifique (cm³ g^-1) des échantillons a été mesuré à la poche plastique sous vide selon Boivin et al. (1990). Cette méthode permet de mesurer de façon non destructive le volume quelle que soit la forme des échantillons. Elle permet donc de mesurer le volume apparent de mottes, ou de cylindres de sol non recoupés, ce qui est un net avantage en présence d’éléments grossiers. Le volume apparent et la masse sèche de terre fine tamisée à 2 mm permettent de déterminer la densité apparente. La densité apparente à -100 hPa est la densité apparente pour le volume mesuré à ce potentiel V_-100 et est notée D_-100. De même la teneur en eau gravimétrique à -100 hPa, déterminée par pesée, est notée W_-100. Le volume des solides (V_solide) est estimé à 0.377cm³ g^-1. La teneur en air pondérale (cm³ g^-1) à -100 hPa (A_-100) a été calculée comme suit :   A_-100 = V_-100 – W_-100 - V_solide

La Figure 2 présente la relation entre le CoreVESS et le rapport TOC:Argile pour 162 échantillons prélevés dans des terres assolées sur Cambi-Luvisol (Food and Agriculture Organization, 2014) du plateau Suisse. La qualité structurale moyenne chute avec le rapport TOC:Argile, passant sous le seuil de qualité acceptable (score 3) pour un rapport de 10%. Les échantillons non remaniés ont été prélevés à une profondeur comprise entre 5 et 10 cm, en toute saison et à n’importe quel stade de la rotation. Dans cette mesure, la qualité structurale moyenne observée reflète la vulnérabilité de la structure aux opérations culturales, définie comme la combinaison de sa résistance et de sa résilience (Kay, 1998 ; Seybold et al., 1999). En d’autres termes la vulnérabilité de la structure augmente avec la diminution du rapport TOC:argile. Ces résultats, basés sur des évaluations visuelles, ont permis de proposer des valeurs de référence pour la gestion de la matière organique (Johannes et al., 2017a). Les qualités structurales moyennes de <2, =3 et >4 évaluées avec CoreVESS correspondent à des ratios TOC:argile de 0.12, 0.10 et 0.08 respectivement et définissent les seuils de vulnérabilité. En dessous d’un ratio TOC:argile de 0.1, le sol est considéré très vulnérable à la dégradation structurale. Pour parler en termes de valeur cible, un sol avec 20% d’argile devrait avoir un taux de carbone organique de 2.0 %, soit un taux de 3.4 % de matière organique.

La relation entre D_-100, A_-100 et la note CoreVESS pour un lot de 209 échantillons provenant également de terres assolées sur Cambi-Luvisol du plateau Suisse est présentée à la Figure 3. Les propriétés physiques et les notes CoreVESS peuvent présenter des relations linéaires ou en « bâton-brisé » (Johannes et al., 2017b). Dans la Figure 3a, la densité apparente augmente linéairement avec la note (Figure 3a), et on peut voir que cette augmentation de densité apparente se fait au détriment de la teneur en air A_-100, c’est-à-dire des pores structuraux de rayon équivalent supérieur à 15 µm. Cette observation est cohérente puisque la note est en grande partie attribuée à partir de l’observation de la porosité structurale. Des relations fortes ont également été mises en évidence entre la note CoreVESS et la porosité structurale (Johannes et al., 2017b). Johannes et al. (2019) ont montré que parmi une large gamme de paramètres physiques, la porosité structurale (déterminée par analyse du retrait) et A_-100 (qui reflète une large part de la porosité structurale) permettent de réaliser la meilleure classification des différentes qualités structurales évaluées avec CoreVESS. Dans la méthode VESS, les notes inférieures à 3 décrivent des structures en bon état, des notes supérieures à 3 décrivent des structures en mauvais état et la note de 3 est la limite entre une bonne et une mauvaise structure (Ball et al., 2007, 2017). Nous avons utilisé ce schéma de classification pour déterminer les valeurs seuils de qualité physique. En l’occurrence, la valeur seuil « indicative » développée dans le projet STRUDEL repose sur la valeur moyenne du paramètre A_-100 de tous les échantillons ayant obtenu la note de 3, soit 0.068 cm³ g^-1. La valeur seuil de « remédiation » repose sur la valeur moyenne d’A_-100 de tous les échantillons ayant obtenu une note de 4, soit 0.045 cm³ g^-1. Ces valeurs seuils sont reportées en Figure 3b. Le taux de classement correct des échantillons avec bonne ou mauvaise structure est de l’ordre de 90% pour la valeur indicative de 0.068 cm³g^?1 et cette valeur devrait être retenue pour la prochaine révision de l’ordonnance Suisse sur la protection des sols.

Une bonne relation entre note CoreVESS, volume apparent, teneur en air (sur la gamme -10 hPa -100 hPa), porosité structurale et de nombreuses autres propriétés physiques (Johannes et al., 2017b) a été trouvée. Cette observation est cohérente avec les critères d’attribution de la note. On sait que la compaction se produit d’abord au détriment des pores grossiers (e.g. Alaoui et al., 2011 ; Bottinelli et al., 2014 ; Nawaz et al., 2013 ; Schäffer et al., 2013, 2008) soit des pores structuraux bien visibles à l’œil nu. La dégradation structurale entraîne également une disparition des pores fins, tandis que la régénération notamment par l’activité biologique restitue une large gamme de pores structuraux, en particulier dans la gamme 15-150 µm de rayon de pore équivalent, soit à l’équilibre avec des potentiels de -10 à -100 hPa (Fell et al., 2018; Kohler-Milleret et al., 2013; Kravchenko et al., 2019; Milleret et al., 2009). Ces pores ne sont pas tous visibles à l’œil nu mais sont manifestement très impliqués dans la qualité structurale.

Cette relation entre des facteurs essentiels de la fertilité physique (aération, distribution de l’eau, réserve en eau) et la note CoreVESS ouvre des perspectives intéressantes en termes de diagnostic de la qualité structurale. Ceci a permis de proposer des valeurs seuils et des indicateurs de qualité structurale reposant sur des mesures physiques. Il devient possible dès lors d’identifier les volumes impactés ou dégradés visuellement, puis de réaliser un échantillonnage dirigé pour leur affecter des valeurs physiques, afin de dépasser les limitations inhérentes aux protocoles de caractérisation physique (coût, difficulté et variabilité). Ceci ouvre la voie à l’application de valeurs physiques dans le diagnostic et la régulation des atteintes aux sols, comme actuellement discuté dans le cadre de la révision des ordonnances sur la protection de l’environnement dans la loi Suisse.