# Caractérisation des sols et de leur homogénéité dans l'essai (projet MétaMétha)

Catherine Pasquier, Maud Seger, Ghislain Girot, Antoine Savoie

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## To cite this version:

Catherine Pasquier, Maud Seger, Ghislain Girot, Antoine Savoie. Caractérisation des sols et de leur homogénéité dans l'essai (projet MétaMétha). [Contrat] INRAE. 2020, 12p. hal-03222074

HAL Id: hal-03222074

https://hal.inrae.fr/hal-03222074v1

Submitted on 10 May 2021

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## B1-L2.1 : Caractérisation des sols et de leur homogénéité dans l'essai

<table><tr><td>Projet</td><td>MétaMétha</td></tr><tr><td>Lot</td><td>B</td></tr><tr><td>Tâche ou sous-tâche</td><td>B1</td></tr><tr><td>Livrable</td><td>L2.1 Caractérisation des sols et de leur homogénéité dans l'essai</td></tr><tr><td>Date de remise</td><td>02/06/2020</td></tr><tr><td>Confidentiel</td><td>oui / non</td></tr></table>

Etude réalisée par : INRA Centre Val de Loire, UE PAO

Partenaire responsable : INRA UR SOLS

Partenaire(s) impliqué(s) dans la rédaction du livrable : INRA UR SOLS

Auteurs : Catherine Pasquier, Maud Seger, Ghislain Girot, INRA UR SOLS

Financée par : la région Centre Val de Loire

Dans le cadre des appels à projets d'intérêt régional

Version 1.1 – septembre 2019

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## Action B1 : Caractérisation initiale et analyses de sol

Couplées à une (1) caractérisation géophysique des sols de l'ensemble du dispositif expérimental mis en jeu dans cet essai, (2) les analyses classiques de sol des parcelles expérimentales (pH, granulométrie, CEC, teneur en matières organiques) ont été réalisées, auxquelles s'ajoutent des mesures (3) de densité apparente, (4) de caractérisation des propriétés hydriques des sols ainsi que de leur (5) capacité à réduire le N₂O.

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Le site est situé sur les limons de plateaux (LP) dont l'épaisseur est comprise entre 50 cm et 1m sur des argiles à silex et sables (sondage 427-5-3, feuille géologique 427).

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Le site de l'INRA de Nouzilly qui accueille le dispositif est implanté sur d'anciens marécages qui ont été drainés pour être asséchés (Cassini). Il existe très probablement un autre réseau de drainage plus ancien et plus dense que celui dont on a connaissance, on devine ce deuxième réseau sur les photos aériennes de 1946 et 1985 (www.remonterletemps.ign.fr).
## B1.1 Campagne de mesures géophysiques

Une campagne de mesures de la résistivité électrique est conduite sur la parcelle les 17 et 18 octobre 2016, par la société Geocarta. Une surface de 30 ha est prospectée comprenant le site d'étude. L'acquisition se fait par une prospection géoélectrique grâce à l'ARP selon des espacements de 6 m. 16 prélèvements d'humidité sont réalisés en même temps que la prospection.

Les données sont ensuite traitées par Maud Séger de l'UR SOLS, qui établit les cartes de résistivités sur 3 épaisseurs : voie 1 de 0 à 50 cm de profondeur, voie 2 de 0 à 100 cm de profondeur et voie 3 de 0 à 170 cm de profondeur. La résistivité électrique varie de 15 à 200 ohm.m. En moyenne la résistivité électrique diminue avec la profondeur, révélateur d'un milieu conducteur en profondeur, en cohérence avec l'existence d'horizons plus argileux en profondeur.

### Prospsection géoélectrique (ARP, Géocarta) 17 et 18 octobre 2016
Parcelles Méta-métha

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Voie 1 (~0-50 cm)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Voie 2 (~0-100 cm)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Voie 3 (~0-150 cm)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_9.png" /></figure>

## B1.2 Prélèvement et analyse de sols

### B1.2.1 Echantillonnage pour caractériser les sols

Afin de caractériser les sols des 5 parcelles, il est réalisé un plan d'échantillonnage aléatoire simple stratifié. Pour cela chaque parcelle est subdivisée en 9 sous-parcelles de surfaces égales dans lesquelles une position est déterminée de façon aléatoire, soit 45 points (sondages pédologiques). Les coordonnées de ces points sont fournies dans la base de données du projet.
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Les prélèvements de sols sont effectués à la tarière par l'UR SOLS sur 4 profondeurs : P1 : 0 à 20 cm, P2 : 20 à 40 cm, P3 : 40 à 70 cm et P4 : 70 à 100 cm, les 17 janvier, 8 et 14 février 2017.

Les échantillons de sol (~180) sont ensuite séchés à l'étuve (105 °C) puis tamisés à 2 mm avant l'envoi au laboratoire d'analyse des sols (LAS) de l'INRA d'Arras pour les analyses chimiques.

Une partie des échantillons a été conservée humide pour réaliser les tests de réduction du N₂O (cf. B.1.5) le reliquat de sol est stocké à l'INRA de Grignon en chambre froide pour d'éventuelles analyses sur les éléments traces.

### B1.2.2 Résultats d'analyse des sols

Plusieurs paramètres de sols sont mesurés par le LAS à savoir : la granulométrie, la CEC, le pH, le rapport C/N, les teneurs en Azote total, en matières organiques, en CaCO₃ et en carbone organique. Les résultats des analyses de sol sont fournis dans la base de données du projet.

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<figure><img src="image_12.png" /></figure>

Les analyses de sol montrent que les sols ne sont pas homogènes sur le dispositif et suggère un échantillonnage raisonné à partir des mesures de géophysique sur chaque parcelle pour faciliter la comparaison des mesures entre elles (flux de N₂O, suivi de l'azote en surface).

Les pH varient en surface de 5.8 à 7.3, mais les sols sont en moyenne plutôt acides : 6.4.
On observe la présence d'une argile de plus en plus forte en profondeur avec un gradient d'apparition Ouest-Est (A vers E) dans les sens de la pente. Le graphique ci-dessous montre la présence d'une gamme de sols allant des luvisols aux planosols avec un toit argileux peu perméable entre 40 et 70 cm de profondeurs sur les parcelles A et B.

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En complément des fosses pédologiques sont ouvertes à l'été 2018, 3 profils de sols sont ainsi décrits par le pédologue de l'UR SOLS, Ghislain Girot. La description de ces profils est incrémentée dans la base de données © DONESOL : étude 33086. Les sols décrits sont deux luvisols typiques redoxisols et un planosol sédimorphe.

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Luvisol typique redoxisol

Colza 2018

<figure><img src="image_15.png" /></figure>

Sondes de mesures de la
teneur en eau volumique

Sondes de mesures de la
température

Prélèvement de mottes
pour mesures de pF :
courbes de rétention

Prélèvement de cylindres
de sol pour mesure de la
conductivité

Prélèvement de cylindres
de sol pour mesure de la
densité

<figure><img src="image_16.png" /></figure>

D'un point de vue agronomique, les luvisols sont caractérisés par l'appauvrissement en argile et l'acidification progressifs de l'horizon de surface entraînant une perte de cohésion entre les particules, rendant les sols sensibles au tassement et à la battance. La fermeture de la surface par une croûte, en réduisant l'infiltration, induit le ruissellement superficiel. Outre les dégâts aux cultures (arrachements, recouvrement de semis ou de plants par des atterrissements, apparition de ravines, etc.), ce ruissellement superficiel, tout en redistribuant les particules et les matières organiques, entraîne également des molécules telles que les produits phytosanitaires ou les fertilisants vers des zones de concentration. Différentes préconisations sont mises en œuvre pour limiter l'impact de ces processus qui touchent de vastes surfaces consacrées à l'agriculture intensive : maintien du pH et des teneurs en matières organiques à un niveau suffisant, techniques culturales n'émiettant pas trop le lit de semence, maintien d'un couvert végétal durant l'automne et l'hiver, etc.

En profondeur, le colmatage de l'horizon illuvial (riche en argile) réduit l'infiltration verticale de l'eau et provoque l'installation d'une nappe perchée en périodes humides. Les parcelles deviennent impénétrables et les semis d'automne peuvent être compromis (Référentiel Pédologique 2008, D. BAIZE).
<figure><img src="image_17.png" /></figure>

Planosol Sédimorphe

Colza 2018

<figure><img src="image_18.png" /></figure>

La mise en valeur agricole des planosols pose de nombreux problèmes. Leur fonctionnement hydrique est caractérisé par des engorgements saisonniers, intenses, mais parfois fugaces, par des nappes perchées superficielles temporaires qui circulent rapidement et s'évacuent latéralement au contact du plancher peu perméable (Référentiel pédologique 2008, D. BAIZE).

Ces mêmes fosses pédologiques sont équipées de capteurs de température et de teneur en eau volumique à l'automne 2018, afin de comparer la dynamique de ces propriétés entre les 2 types de sols (planosol et luvisol) et à différentes distances du drain.

Teneur en eau volumique en g.cm³, par site et profondeur au cours de l'année culturale 2019

<figure><img src="image_19.png" /></figure>
### B1.2.3 Choix d'un échantillonnage orienté en fonction de la résistivité

L'échantillonnage spatial pour les mesures de N₂O a été raisonné à partir de la campagne de mesure de la résistivité électrique.

Cinq chambres statiques sont installées dans des classes d'iso-résistivité identiques sur chacune des parcelles. Les classes sont déterminées par la méthode des effectifs égaux, sous SIG. Les chambres sont ensuite positionnées au niveau des centroïdes des 5 classes qui avaient la plus grande superficie sur chacune des parcelles.

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>Statistiques sur la voie 1 par bloc</figcaption></figure>

<table><thead><tr><td>Bloc</td><td>n</td><td>Min</td><td>Max</td><td>Etendue</td><td>Moyenne</td><td>Ecart-type</td></tr></thead><tbody><tr><td>A</td><td>201</td><td>82</td><td>310</td><td>228</td><td>151</td><td>52</td></tr><tr><td>B</td><td>200</td><td>74</td><td>209</td><td>135</td><td>123</td><td>27</td></tr><tr><td>C</td><td>198</td><td>81</td><td>242</td><td>161</td><td>121</td><td>28</td></tr><tr><td>D</td><td>201</td><td>56</td><td>174</td><td>118</td><td>108</td><td>27</td></tr><tr><td>E</td><td>199</td><td>97</td><td>283</td><td>185</td><td>174</td><td>40</td></tr></tbody></table>

Gamme de résistivité commune aux 5 blocs : 97 à 174 ohm.m

<figure><img src="image_21.png" /></figure>

### B1.3 Densité apparente

La densité apparente du sol est un paramètre important car il entre dans le calcul des différents stocks comme la teneur en eau volumique ou l'azote minéral exprimé en kg.ha⁻¹.

Elle est mesurée plusieurs fois sur la durée du projet, notamment pour prendre en compte l'évolution de la porosité du sol en surface suite au travail du sol. Le prélèvement et la mesure sont réalisés par la méthode du cylindre NF X31-501 par l'UR SOLS. Les résultats sont fournis dans la base de données du projet.

#### B1.3.1 Mesures de 2017

Les mesures sont faites sur 2 niveaux : 5-14 cm et 22-31 cm avec 3 répétitions au niveau des points : A_N4, B_N6, C_N7, D_N9 et E_N1 (cf. partie B.1.2.1).
La proportion d'éléments grossiers (% eg) est mesurée sur chaque échantillon afin de corriger la mesure de la masse volumique de la terre fine. La densité de matière utilisée pour le calcul est celle du silex à 2.25 g.cm⁻³. Au vu de la faible variabilité de la densité dans les horizons de surface une moyenne des 5 parcelles est utilisée pour caractériser les 2 premiers horizons de sol sur l'ensemble du site, soit une densité de 1.31 g.cm⁻³ pour calculer les stocks en 2017.

<table><thead><tr><th>Parcelle</th><th>Horizon</th><th>% eg</th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="2">A</td><td>0-20</td><td>15,15</td></tr><tr><td>20-40</td><td>13,30</td></tr><tr><td rowspan="2">B</td><td>0-20</td><td>14,98</td></tr><tr><td>20-40</td><td>12,12</td></tr><tr><td rowspan="2">C</td><td>0-20</td><td>07,28</td></tr><tr><td>20-40</td><td>06,00</td></tr><tr><td rowspan="2">D</td><td>0-20</td><td>03,31</td></tr><tr><td>20-40</td><td>03,60</td></tr><tr><td rowspan="2">E</td><td>0-20</td><td>03,17</td></tr><tr><td>20-40</td><td>03,39</td></tr></tbody></table>

<table><thead><tr><th>Prof en cm</th><th>Densité corrigée<br>g.cm<sup>-3</sup></th></tr></thead><tbody><tr><td>0-20</td><td>1,31</td></tr><tr><td>20-40</td><td>1,50</td></tr></tbody></table>

On observe un gradient Est-Ouest dans la proportion des éléments grossiers. La parcelle A est plus graveleuse : 15 % en surface, que la parcelle E : 3 % en surface.

### B1.3.2 Mesures de 2018

Des mesures de densité sont faites au cours du printemps 2018 (le 23 avril 2018) sur la profondeur 5-15 cm sur chacune des parcelles avec 5 répétitions. Le pourcentage des éléments grossiers n'a pas été mesuré.

<table><thead><tr><th>Parcelle</th><th>date</th><th>Densité g.cm<sup>-3</sup></th><th>erreur standard</th></tr></thead><tbody><tr><td>A</td><td>23/04/2018</td><td>1,40</td><td>0,02</td></tr><tr><td>B</td><td>23/04/2018</td><td>1,51</td><td>0,03</td></tr><tr><td>C</td><td>23/04/2018</td><td>1,46</td><td>0,08</td></tr><tr><td>D</td><td>23/04/2018</td><td>1,47</td><td>0,05</td></tr><tr><td>E</td><td>23/04/2018</td><td>1,42</td><td>0,05</td></tr></tbody></table>
La valeur retenue pour calculer les stocks est 1,45 g.cm⁻³

Des mesures sur les horizons plus profonds sont également effectuées lors de l'ouverture des 3 fosses pédologiques sur les parcelles B et C au niveau des points B1, C4 et C5. Ces mesures sont des moyennes de 3 répétitions.

<table><thead><tr><td>Points</td><td>Date</td><td>Prof_min</td><td>Prof_max</td><td>Densité (g.cm3)</td><td>% eg</td><td>erreur standard</td></tr></thead><tbody><tr><td>SOIL_B1</td><td>07/06/2018</td><td>2</td><td>11</td><td>1,39</td><td>23,5</td><td>0,03</td></tr><tr><td>SOIL_C4</td><td>07/06/2018</td><td>10</td><td>19</td><td>1,35</td><td>6,5</td><td>0,02</td></tr><tr><td>SOIL_C4</td><td>07/06/2018</td><td>40</td><td>49</td><td>1,61</td><td>10,1</td><td>0,02</td></tr><tr><td>SOIL_C4</td><td>07/06/2018</td><td>75</td><td>84</td><td>1,57</td><td>4,1</td><td>0,03</td></tr><tr><td>SOIL_C5</td><td>07/06/2018</td><td>10</td><td>19</td><td>1,36</td><td>6,6</td><td>0,09</td></tr><tr><td>SOIL_C5</td><td>07/06/2018</td><td>30</td><td>39</td><td>1,60</td><td>1,8</td><td>0,04</td></tr><tr><td>SOIL_C5</td><td>07/06/2018</td><td>70</td><td>79</td><td>1,62</td><td>6,3</td><td>0,02</td></tr></tbody></table>

### B1.3.2 Mesures de 2019

<table><thead><tr><td>Parcelle</td><td>Date</td><td>Profondeur</td><td>Densité en g.cm³</td><td>% eg</td><td>Ecart-type sur la densité</td></tr></thead><tbody><tr><td>A</td><td>10/04/2019</td><td>0-15 cm</td><td>1,33</td><td>13,20</td><td>0,01</td></tr><tr><td>B</td><td>11/04/2019</td><td>0-15 cm</td><td>1,39</td><td>8,30</td><td>0,02</td></tr><tr><td>C</td><td>12/04/2019</td><td>0-15 cm</td><td>1,39</td><td>7,40</td><td>0,06</td></tr><tr><td>D</td><td>13/04/2019</td><td>0-15 cm</td><td>1,40</td><td>3,30</td><td>0,02</td></tr><tr><td>E</td><td>14/04/2019</td><td>0-15 cm</td><td>1,34</td><td>2,90</td><td>0,01</td></tr></tbody></table>

La moyenne corrigée de la terre fine est de 1,33 g.cm⁻³ pour la couche de surface.
### B1.4 Mesure de rétention en eau

Les potentiels hydriques sont mesurés au labo de l'UR SOLS, par Hervé Gaillard, à capacité au champ et au point de flétrissement (pF 2 et pF 4,2).

<table><thead><tr><th>Meas_Id</th><th>Prof_min</th><th>Prof_max</th><th>pF</th><th>Humidité %</th><th>Masse vol app g.cm<sup>-3</sup></th></tr></thead><tbody><tr><td>B1</td><td>0</td><td>15</td><td>2</td><td>22,6</td><td>1,52</td></tr><tr><td>B1</td><td>0</td><td>15</td><td>4,2</td><td>8,4</td><td>1,60</td></tr><tr><td>B1</td><td>15</td><td>25</td><td>2</td><td>20,1</td><td>1,63</td></tr><tr><td>B1</td><td>15</td><td>25</td><td>4,2</td><td>8,1</td><td>1,66</td></tr><tr><td>B1</td><td>25</td><td>35</td><td>2</td><td>20,6</td><td>1,52</td></tr><tr><td>B1</td><td>25</td><td>35</td><td>4,2</td><td>7,7</td><td>1,63</td></tr><tr><td>C4</td><td>10</td><td>20</td><td>2</td><td>22,6</td><td>1,58</td></tr><tr><td>C4</td><td>10</td><td>20</td><td>4,2</td><td>9,1</td><td>1,60</td></tr><tr><td>C4</td><td>40</td><td>50</td><td>2</td><td>19,3</td><td>1,68</td></tr><tr><td>C4</td><td>40</td><td>50</td><td>4,2</td><td>11,7</td><td>1,76</td></tr><tr><td>C4</td><td>75</td><td>85</td><td>2</td><td>21,7</td><td>1,61</td></tr><tr><td>C4</td><td>75</td><td>85</td><td>4,2</td><td>16,1</td><td>1,77</td></tr><tr><td>C5</td><td>10</td><td>20</td><td>2</td><td>22,6</td><td>1,48</td></tr><tr><td>C5</td><td>10</td><td>20</td><td>4,2</td><td>8,2</td><td>1,62</td></tr><tr><td>C5</td><td>30</td><td>40</td><td>2</td><td>20,1</td><td>1,62</td></tr><tr><td>C5</td><td>30</td><td>40</td><td>4,2</td><td>9,5</td><td>1,70</td></tr><tr><td>C5</td><td>70</td><td>80</td><td>2</td><td>20,3</td><td>1,70</td></tr><tr><td>C5</td><td>70</td><td>80</td><td>4,2</td><td>14,3</td><td>1,65</td></tr></tbody></table>

Dans l'horizon labouré on retrouve une valeur unique pour la teneur en eau à capacité au champ (pF 2) qui est de 22,6 %.

### B1.5 Test de réduction du N₂O

#### B1.5.1 Description de la méthode :

* Incubation d'échantillons de sols en conditions contrôlées (anaérobies, N₂), pendant une semaine

* Quantification du N₂O produit à partir de nitrates, en présence ou non d'acétylène (inhibiteur de la réduction du N₂O en N₂)

* Analyses sur microGC-TCD (nano Détecteur à Conductibilité Thermique, gamme de mesure de 0,2 à 1 % N₂O soit 1800 à 10500 ppm)
Le test est réalisé au labo de l'UR SOLS, par Adeline Ayzac, sur un échantillon composite prélevé entre 0 et 20 cm sur chaque parcelle (9 x 200 g de sol humide tamisé à 5 mm), 3 répétitions par échantillon.

<figure><img src="image_22.png" /></figure>

### B1.5.2 Résultats du test

**MétaMétha : capacité du sol à réduire N₂O**

<table><thead><tr><td>Modalité</td><td>Traitement</td><td>Date incubations</td><td>Rmax</td><td>Index</td></tr></thead><tbody><tr><td>A</td><td>Lisier, fumier</td><td>10/04/2017</td><td>0.4942</td><td>23.72</td></tr><tr><td>B</td><td>N minéral</td><td>10/04/2017</td><td>0.3006</td><td>7.21</td></tr><tr><td>C</td><td>Digestat solide ou liquide</td><td>10/04/2017</td><td>0.2911</td><td>6.91</td></tr><tr><td>D</td><td>Témoin</td><td>10/04/2017</td><td>0.5344</td><td>38.44</td></tr><tr><td>E</td><td>Digestat brut</td><td>10/04/2017</td><td>0.5318</td><td>38.29</td></tr></tbody></table>

<table><thead><tr><td>Valeur index</td><td>Capacité du sol à réduire N₂O</td><td>Situation</td></tr></thead><tbody><tr><td>i < 50</td><td>Bonne</td><td>Pas de raison d'identifier spécifiquement la situation comme à risque d'émissions fortes de N₂O</td></tr><tr><td>i > 50</td><td>Faible</td><td>Risque d'émissions importantes de N₂O</td></tr></tbody></table>

D'après les résultats du test, les 5 parcelles du site ne présentent pas de risques importants d'émissions de N₂O. Les sols ont la capacité à réduire le N₂O.

### B1.6 Conclusion

Les sols du dispositif ne sont pas homogènes à la fois entre parcelles mais aussi au niveau intra parcellaire. L'existence des planosols sur le site met en question les bilans hydriques de chaque modalité (prélèvements dans les bougies poreuses et sur chaque drain). Il est difficile d'envisager de réaliser des bilans sur les lessivages de nitrate sans une cartographie précise des contours des unités cartographiques de sols sur le dispositif.