Cartographie à l'échelle de la parcelle agricole de variables indicatrices de la capacité des sols à fixer le phosphore à l'aide de la télédétection et des nouvelles technologies.

Quenum, Mathieu (2009). Cartographie à l'échelle de la parcelle agricole de variables indicatrices de la capacité des sols à fixer le phosphore à l'aide de la télédétection et des nouvelles technologies. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 234 p.

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Résumé

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Cette thèse vise à cartographier des indicateurs de la capacité de fixation du phosphore (CFP) des sols à l’échelle de la parcelle agricole ainsi qu’à stratifier les parcelles en zones d’aménagement (ZA) aux propriétés pédologiques suffisamment homogènes pour y implanter une gestion spécifique et rationnelle du phosphore sous forme d’engrais minéral, de fumier ou de lisier. Pour se faire, elle évalue l’utilité des données de conductivité électrique apparente du sol (CEA), des modèles numériques d’élévation (MNE) de haute précision et des données spectrales extraites d’images satellitaires et aéroportées. L’étude s’est déroulée sur trois parcelles contiguës, totalisant 15,75 hectares, sous culture (rotation) de fourrage, céréale, maïs et soya, situées dans le bassin versant du Bras d’Henri, dans la région de Chaudière- Appalaches. Dans un premier temps, ces parcelles ont fait l’objet d’une cartographie très détaillée des sols à l’échelle de 1 :10 000 avec description de profils pédologiques (1m). Puis, un échantillonnage de la couche de surface (0-20 cm) de chacun des champs a été effectué au printemps 2005, à l’aide d’une grille non alignée de 30 m par 30 m (n=164, 11 échantillons par ha). Les échantillons ont été séchés à la température ambiante et analysés afin de déterminer les principales propriétés physico-chimiques des sols : sable, limon, argile, matière organique, pH, éléments extraits à la solution Mehlich-3 (M-3), soit CaM-3, MgM-3, KM-3, PM-3, AlM-3 et FeM-3. Les teneurs en oxydes de fer (Feox) et d’aluminium (Alox) extraits à l’oxalate acide d’ammonium ont aussi été mesurées. L’indice de sorption du phosphore (PSI) a été mesuré. La CFP des sols, définie comme le pouvoir d’un sol à retenir une quantité de phosphore selon divers mécanismes physico-chimiques, a été estimée à partir de quatre indicateurs : AlM-3, AlM-3+FeM-3, Alox+Feox et PSI. Enfin, l’indice de saturation en phosphore (Psat) du sol a été déterminé à partir du rapport PM-3/AlM-3. Dans un deuxième temps, une série de variables auxiliaires ont été mesurées sur les trois parcelles à l’étude. La CEA du sol a été mesurée en mode continu le long de transects parallèles à la longueur des champs (7 m x 3 m) avec la technologie VERIS 3100 pour une profondeur de 0-30 et 0-100 cm simultanément, de même qu’avec la technologie Geonics EM 38 pour une profondeur de 0-130 cm. Un MNE de haute précision (1-2 cm en mode horizontal et de 2-5 cm en mode vertical) a été réalisé pour ces parcelles à l’aide d’un système de positionnement par satellite RTK (Real Time Kinematic) Trimble 5800 le long des mêmes transects. Quelques paramètres topographiques (pente et indice d’humidité de surface) ont été générés à partir de ce MNE. Deux images optiques ASTER (15 m de résolution spatiale au sol pour les trois bandes dans le vert, rouge et proche infrarouge) du satellite TERRA ont été acquises, respectivement aux printemps 2000 et 2005. Des images aéroportées multispectrales (trois bandes dans le vert, rouge et proche infrarouge) ont été acquises au printemps 2004, à une résolution spatiale de 1 m au sol, par une équipe de recherche appliquée de l’Institut de technologie agricole et alimentaire (ITAA) de La Pocatière (Québec). Enfin, une image IKONOS (quatre bandes dans le bleu, vert, rouge et proche infrarouge) a également été acquise au printemps 2008 à une résolution spatiale de 4 m au sol. Après avoir apporté les corrections radiométriques et géométriques (à l’exception des images aéroportées), ces images, qui couvraient l’ensemble des champs étudiés, ont été intégrées dans un système d’information géographique (ArcGIS de ESRI, 2003) avec les couches d’informations sur les sols pour y réaliser les analyses spatiales et géostatistiques (module Geostatistical Analyst) requises pour l’atteinte des objectifs de recherche. La variabilité spatiale inter- et intra-parcellaire des indicateurs de la CFP a d’abord été étudiée en comparant les trois champs à l’aide d’un test statistique de comparaison multiple (Scheffe) effectué sur les indicateurs. Par la suite, une étude variographique a été réalisée afin d’examiner quelques paramètres (i.e. portée : Ao, pépite : Co, plateau : Co+C et ratio : C/Co+C) des semi-variogrammes utilisés pour déceler la présence dans les parcelles de structures spatiales pour chacun des indicateurs de la CFP. Les résultats de cette analyse ont montré que AlM-3 était l’indicateur de CFP qui présentait les structures spatiales les mieux définies (ratio C/Co+C le plus élevé), conditions essentielles à la cartographie numérique de la CFP à l’échelle de la parcelle. Toutefois, chacun des quatre indicateurs étudiés présentaient aussi des structures spatiales permettant de réaliser leur prédiction par interpolation spatiale à l’aide du krigeage. L’indicateur AlM-3, propriété régulièrement utilisée dans les laboratoires de fertilité des sols pour établir les recommandations pour la gestion du P ainsi que pour établir les PAEF, était également, avec AlM-3+FeM-3, un des indicateurs de la CFP présentant une erreur standard de l’interpolation (ESM) parmi les plus faibles des indicateurs étudiés, soit ESM= 265 mg kg-1, ce qui correspond à une précision de 16% de la valeur moyenne du champ (1618 mg kg-1). Ceci indique une précision et une fiabilité assez bonnes des cartes de CFP générées par interpolation spatiale, bien que ESM correspond à plus d’une demie classe de CFP (1 classe = 500 mg kg-1, soit : >1000; 1100-1600; >1600 mg kg-1) telle que spécifiée dans le guide de fertilisation en usage au Québec. Dans la plupart des cas, l’approche anisotrope permet de réduire ESM (v.g. pour AlM-3, 253 mg kg-1). Le cokrigeage avec les variables auxiliaires ne permet pas de réduire sensiblement ESM. Seul, la CEA mesurée avec le Geonics EM-38 (0-130 cm) avec co-krigeage isotrope permet de réduire ESM à 215 mg kg-1 de même que la CEA mesurée avec le VERIS 3100 à une profondeur de 0-30 cm (ESM = 245 mg kg-1) en cokrigeage anisotrope. La précision atteinte n’est pas appropriée pour supporter une gestion spécifique du P en mode continu. Une gestion par zone d’aménagement, bien que moins précise, nous apparaît plus appropriée. Dans un troisième temps, nous avons étudié l’impact de la stratégie d’échantillonnage (variation du nombre et de la densité d’échantillons) sur ESM lors de la cartographie numérique de AlM-3 à l’aide du krigeage simple et du cokrigeage (utilisation de variables auxiliaires). Les résultats de cette étude ont montré qu’en réduisant le nombre d’échantillons, que c’est encore une fois le Geonics EM 38 qui a permis de réduire le plus l’erreur standard d’interpolation avec une approche de cokrigeage anisotrope. Quelle que soit la variable auxiliaire utilisée pour le cokrigeage, une densité optimale d’échantillonnage de 5,2 échantillons à l’hectare est requise pour cartographier la CFP en prenant AlM-3 comme indicateur. Avec moins d’échantillons, l’erreur augmente drastiquement, alors que plus d’échantillons n’améliorent pas beaucoup la précision de l’interpolation. Cette densité correspond à une taille de 82 échantillons pour 15,75 ha. Le coût associé à cette densité d’échantillonnage est beaucoup trop élevé et n’est pas acceptable dans le contexte agro-économique actuel du type de production agricole pratiquée (ferme mixte : laitière et porcine) dans cette région. Ces résultats supportent également l’utilisation d’une approche de gestion spécifique du P par zone d’aménagement basée sur la CFP et délimitée à partir de variables auxiliaires densément mesurées. L’étude menée dans un quatrième temps consistait donc à déterminer le nombre optimal de zones d’aménagement à définir dans les trois parcelles étudiées pour supporter ce type de gestion spécifique ainsi qu’à évaluer l’efficacité de différentes stratégies de stratification. Pour atteindre cet objectif, le logiciel Management Zone Analyst (MZA) développé par un groupe de chercheurs de l’université du Missouri, U.S.A., a été utilisé pour stratifier les parcelles à partir de différentes combinaisons de variables auxiliaires (stratégies de stratification) et pour évaluer le nombre optimal de ZA à considérer dans ces trois parcelles. La stratification des parcelles avec MZA fonctionne à partir d’un algorithme de classification floue (Fuzzy c-means) et trois mesures de similarité, dont la distance de Mahalanobis qui a été utilisée dans la présente étude car elle était la mieux adaptée au jeu de données utilisées (absence de multicolinéarité). La décision concernant le nombre optimal de ZA à considérer était basée sur l’analyse de plusieurs critères dont le plus important est le pourcentage de réduction de la variance (RV) des variables auxiliaires utilisées pour la stratification ainsi que la RV des quatre indicateurs de la CFP utilisées dans cette étude (validation agronomique de la procédure de cartographie). Toutes les variables auxiliaires évaluées étaient associées à l’élévation extraite du MNE car cette mesure imposait une certaine contrainte de proximité lors du processus de stratification et constitue une donnée très utile à intégrer dans la gestion spécifique des parcelles pour planifier le nivellement et les travaux d’amélioration du drainage des terres. Quelle que soit la combinaison des variables auxiliaires utilisée, une stratification des parcelles en deux zones entraîne généralement la plus grande RV, ce qui constitue le nombre minimal de ZA à considérer. Une réduction supplémentaire de la variance est obtenue en considérant cinq ZA, ce qui constitue le nombre maximum de ZA à considérer. Un autre critère important dans le choix du nombre de ZA à considérer est que les zones délimitées doivent être significativement différentes les unes des autres quant à leur CFP, tel que diagnostiqué à partir d’un test de comparaison multiple de Scheffe appliqué sur les quatre indicateurs de la CFP, ainsi que sur PM-3 et Psat, deux propriétés de sol fréquemment utilisés dans les recommandations de P et dans l’évaluation des risques de pertes de P à l’environnement. Ainsi, au maximum, trois ZA se sont avérées significativement différentes les unes des autres pour les indicateurs AlM-3, AlM-3+FeM-3 et Alox+Feox tandis que seulement deux zones ont été identifiées dans le cas de PSI, de PM-3 et de Psat. Parmi toutes les variables auxiliaires utilisées avec l’élévation pour la stratification des parcelles, c’est la CEA mesurée avec le VERIS 3100 (0-100 cm) ainsi que l’indice de végétation ajusté aux sols (SAVI) généré par krigeage à partir de l’information spectrale de l’image IKONOS qui ont entraîné la plus grande RV des indicateurs de la CFP. Ainsi, en stratifiant les parcelles en deux ZA avec la CEA mesurée avec EM-38 et l’élévation, la variance de AlM-3 a été réduite à 55% de la variance mesurée pour l’ensemble du champ. Avec cinq ZA, la variance de AlM-3 est réduite à 45%, soit un gain de 10%. C’est Alox+Feox qui bénéficie le plus de la stratification car la variance de cet indicateur de la CFP est réduite à 35% pour 2 ZA et à 25% pour 5 ZA. Les trois ZA délimitées avec le VERIS 3100 (0-100 cm) et l’élévation présentaient des caractéristiques et des comportements contrastants. Ainsi, la ZA présentant la CFP la plus élevée présentait une valeur moyenne de 1928 mg kg-1 (forte) pour l’indicateur AlM-3 et un Psat de 7.1 %. La seconde avait une teneur moyenne en AlM-3 de 1466 mg kg-1 (moyenne) et un Psat de 10.5 % alors que la troisième ZA avait une teneur moyenne en AlM-3 de 1197 mg kg-1 (faible à moyenne) et un Psat de 15.8 % selon le guide de référence en fertilisation en usage au Québec. D’un point de vue environnemental, un zonage permettrait une gestion spécifique et rationnelle du phosphore apporté par des engrais minéraux et organiques (fumier et lisier) en fonction de la CFP, de la richesse de chaque zone en P (PM-3) et de Psat, tout en tenant compte de la vulnérabilité des sols au ruissellement, à l’érosion et au lessivage de N ainsi qu’en fonction des cultures à implanter et des précédents culturaux. Les parcelles présentant une pédodiversité modérée à élevée comme celles que nous avons étudiées bénéficieraient d’une stratification en zones de sols homogènes. La contribution principale de cette étude est d’avoir proposé une nouvelle méthode de cartographie à l’échelle de la parcelle agricole de quelques indicateurs de la CFP. Ceci contribuera, de manière notable, à apporter diverses solutions locales au problème de pollution de l’environnement par le phosphore d’origine agricole en rationalisant les épandages de fumier et lisier selon la CFP et le taux de saturation en P des sols. Les résultats de cette recherche contribuent également à démontrer l’utilité de la télédétection et des nouvelles technologies dans le domaine de la cartographie numérique des sols.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Cluis, Daniel
Co-directeurs de mémoire/thèse:	Bernier, Moniqueet Nolin, Michel C.
Informations complémentaires:	Résumé avec symboles
Mots-clés libres:	cartographie; parcelle agricole; sols; phosphore; télédétection; statistique; géostatistique
Centre:	Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt:	26 nov. 2012 16:08
Dernière modification:	23 juill. 2024 14:26
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/481

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