Etude faisabilité - utilisation scanners enterrés pour suivi biodiversité des sols après phytoremédiation
Acronyme : CASCA
Programme : Projets de Recherche, Développement ou Innovation (RDI)
Mots-clés : Sols / Agriculture / Forêt
Contexte : La réhabilitation écologique des sols dégradés et contaminés est essentielle pour préserver notre santé ainsi que celle des écosystèmes globaux. Ces sols, souvent endommagés par des pratiques agricoles intensives, des activités industrielles, ou des déversements accidentels de substances toxiques, subissent une perte de fertilité irréversible. Cette dégradation compromet leur capacité à soutenir la croissance des plantes et à fournir des services écosystémiques vitaux. En outre, la contamination par des éléments-traces métalliques, des hydrocarbures ou des pesticides présente des risques sérieux pour la santé humaine, notamment par la contamination des ressources en eau et la bioaccumulation dans la chaîne alimentaire. Face à ces défis environnementaux et sanitaires et le manque de connaissance sur la biodiversité des sols en général, il devient impératif de développer des stratégies efficaces de surveillance et de gestion. Ce besoin est d’autant plus crucial dans l’hypothèse de l’adoption de la ‘Soil Monitoring Law’ de l’UE. Plus généralement, ces indicateurs doivent permettre le suivi du fonctionnement des sols encore contaminés ou en réhabilitation/restauration ou encore celui des sols agricoles dans le cadre de la transition agroécologique. En effet, le sol est l'un des réservoirs de biodiversité les plus importants, accueillant plus de 50% des espèces vivantes décrites dans le monde (Anthony et al., 2023). Les communautés d’organismes du sol comprennent des individus de presque tous les groupes taxonomiques présents dans les écosystèmes terrestres (Swift et al., 1979). Malgré cela ou à cause de cela, notre connaissance de cette biodiversité est plutôt limitée (André et al., 1994). La principale barrière à l'étude des organismes du sol et de leurs interactions est en partie due à l'opacité de la matrice du sol (Geisen et al., 2019) et nécessite la mise en œuvre de méthodologies innovantes. Un premier travail (2022) a permis de démontrer l’intérêt et la faisabilité d’utiliser les scanners enterrés pour le suivi des racines et autres organismes (Belaud et al. soumis). Nous avons pu observer et quantifier des activités individuelles à des résolutions spatiales allant de mm2 (apex des racines, mycorhizes,) à cm2 (racines structurales et fines) à dm2 (somme de la rhizosphère, galeries de vers de terre). Nous avons mis en évidence la possibilité de surveiller simultanément l'activité de ces différents types d'organismes, et par conséquent de détecter des co-occurrences. Enfin, nous avons décrit la phénologie et le rythme journalier des racines, des champignons et de la mésofaune, ainsi que leurs interactions. Ces dynamiques temporelles restent encore inconnues pour de nombreux taxons du sol et difficiles à évaluer à l'aide de méthodes d'échantillonnage standard (Eisenhauer et al., 2019). Dans le projet DESCENT, financé par l’ADEME en 2023, nous avons développé et adapté cette technologie à des conditions de terrain plus variées, incluant des sites et sols pollués. Notamment, nous avons évalué différents paramétrages du dispositif de capture des images pour déterminer les réglages adaptés à l’évaluation des différents organismes. Nous avons délimité les besoins de gestion de la banque d’images et proposé des pistes pour les travaux à venir. Nous avons développé un module de pilotage automatisé des scanners installés sur le terrain qui permet de paramétrer la capture d’image et de stocker les images dans un format compressé. Nous avons mis en place un outil reposant sur une segmentation par un opérateur humain sous Image. Cela a permis d’engranger une première banque d’image d’invertébrés de deux sols avec des caractéristiques très différentes. A la fin du projet nous avons initié un travail pour l’automatisation de la détection et de la segmentation des invertébrés sur les images. Le prototype de chaîne de traitement depuis l’acquisition de l’image jusqu’à la bancarisation des données issues du traitement de l’image a été défini. Les images acquises dans le cadre du projet DESCENT ont ainsi contribué à des développements d’ordre techniques et méthodologiques, mais elles ont également permis l’obtention de premiers résultats concernant l’activité édaphique du sol post-minier. Les premiers résultats exploratoires ont mis en évidence la présence de communautés d’invertébrés au sein de cet écosystème, avec cependant des dynamiques d’activité très différentes de l’écosystème semi-naturel situé à quelques centaines de mètres. Ces résultats exploratoires promettent d’intéressantes perspectives en vue d’une meilleure compréhension des mécanismes biologiques souterrains, notamment impliqués dans les processus de réhabilitation. Compte tenu de la quantité massive (car temporellement dense) de données générées par les dispositifs, la conception d’indicateurs de l’état biologique du milieu est nécessaire.
Description : Le projet est construit autour de 6 lots, dont deux lots transversaux que sont la coordination (Lot 1) et la valorisation (Lot 6). Les lots suivants: lot 2 (construction du banque d’image), lot 3 (Entraînement d’un modèle), lot 4 (test de la généricité du modèle) et lot 5 (développement d’indices) correspondent aux étapes de la chaîne de traitement de l’information que nous devons améliorer pour améliorer le TRL de l’outil. Le projet s'articule atour de 3 axes: Améliorer la détection des images et la bancarisation des données acquises afin de faciliter la reconnaissance des individus et informer sur leur nombre, la co-occurrence avec d'autres organismes du sol ou avec des éléments de leur habitat Choisir une architecture de modèle adaptée à la détection et à la classification de la faune du sol Développement d'indicateurs permettant de rendre compte d'un état biologique du sol à partir des données d'occurrence des invertébrés du sol obtenues par les modèles automatisés de détection et classification
Objectifs et résultats attendus : Dans la continuité des travaux précédents, notre objectif scientifique principal est de développer une méthodologie de suivi de l’activité biologique des sols à haute fréquence temporelle, et la moins invasive possible. La déclinaison technique de cet objectif est la nécessité de développer un outil de détection, de segmentation et de classification automatique des invertébrés des sols, afin de diminuer les coûts et en augmenter l’ergonomie de travail. La réalisation de ce projet lèvera un verrou crucial pour la compréhension de la dynamique de l’activité des organismes des sols : la fréquence d’acquisition d’information. En effet, cette méthodologie devra être complémentaire aux approches de suivi ‘traditionnel’ (tri manuel, extraction d’organismes) qui donnent une vision ponctuelle de la diversité des organismes, tout en étant limité par l’identification taxonomique des individus, souvent restreinte aux adultes. Ainsi, l’imagerie du sol in-situ permet de caractériser des paramètres méconnus des organismes des sols tels que leur phénologie, leur colocalisation et leurs interactions, leur activité (bioturbation, décomposition des MOS, contrôle biologique). Si la preuve du concept a été faite, il nous faut maintenant optimiser la chaîne de traitement du signal en diminuant le temps d’analyse et les biais opérateurs pour obtenir des données fiables, en quasi-temps réel. En améliorant ces étapes de la chaîne de traitement de l’information, nous pensons pouvoir viser un outil en TRL 5-6 (pré-production) dans 2 ans. Les produits finaux escomptés sont (i) un outil abouti de détection et de segmentation d’invertébrés des sols, (ii) la première banque de plusieurs milliers d’images annotées d’invertébrés des sols et (iii) un outil fiable de classification automatique des invertébrés présents sur les images issues de scanners enterrés, (iv) un set d’indicateurs de santé des sols basés sur les données issues de l’analyse d’image, co-construits avec des porteurs d’enjeux. Ces productions seront envisagées dans un esprit de science ouverte pour que d’autres scientifiques puissent utiliser/modifier l’outil de détection et de segmentation sur leurs propres lots d’images, que la banque d’images annotées puisse être utilisée avec d’autres objectifs (par ex par des applications de sciences participatives comme INaturalist). Devant l’engouement de plusieurs équipes de recherche partenaires (INRAE Bordeaux; INRAE Clermont-Ferrand, INRAE Montfavet) et devant l’attente de certains industriels ou privés (Saint Gobain; Cybele AgroCare; Pépinières Robin; LVMH/Ruinart; …) ou centres techniques (ARVALIS, Chambre d’agriculture des Landes) ou d’enseignement (Institut Agro Montpellier, AgroCampus Rennes), le laboratoire Eco&Sols ne peut faire face à la fourniture des scanners et appui au traitement des images associées. Nous avons développé un partenariat avec une Startup - Scanorhize - qui démarre ses activités en 2024 et pourra répondre aux demandes de fourniture en scanner et traitement des images pour la croissance des racines et indicateur de biodiversité de la faune des sols en 2025. Cette Startup sera liée au Laboratoire de recherche Eco&Sols par un contrat qui lui permettra de bénéficier des résultats de la recherche sur la biodiversité et l’activité des acteurs biologiques dans les sols émanant du laboratoire. Au cours de ce projet, nous partagerons notre approche d’expertise de la santé des sols avec la jeune entreprise innovante (JEI) Fertil’Innov Environnement. Nous mettrons en œuvre une stratégie commune d’observation dynamique et durable des sols en réhabilitation. Pour cela, nous installerons les scanners dans le site pollué de Saint Laurent le Minier (34) suivi par cette JEI depuis plusieurs années. L’idée sera de caractériser l’état sanitaire du sol après plusieurs années de restauration et selon différents scénarios de pratique de restauration.
Bénéficiaire : INSTITUT NATIONAL DE RECHERCHE POUR L'AGRICULTURE L'ALIMENTATION ET L'ENVIRONNEMENT
Localisation : Saint-Laurent-le-Minier, Occitanie, FRANCE
Début : 02/09/2024 — Durée : 18 mois
Budget total : 194952.6 € — Aide ADEME : 84477 €
Statut : Suivi du projet