Pedostructure et pedoclimat, concepts clefs de la physique du "Milieu sol"

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Permettent l’interdisciplinarité des sciences agroenvironnementales avec la science du sol

Erik Braudeau

BIOEMCO, IRD, BONDY

Objectif: le couplage physique (mécaniste) des modèles biologiques avec la dynamique hydrostructurale du Milieu Sol

Rencontres Q@LIMEDiterrannée6 Novembre 2009

Pedostructure et pedoclimat, concepts clefs de la physique du « Milieu Sol »

Le sol est « présent » à tous les niveaux d’échelle d’organisation des agro- et éco-systèmes

HYDRO-PEDO-STRUCTURE et BIO

Le PEDON, Volume ReprésentatifElémentaire (REV) de l’unité de sol

Unités géomorphologiques, pédologiques, parcelles agronomiques

Unités cartographiques derelief, paysage, bassin versant , écosystèmes, etc.

MICROSCALE(Milieu Sol)

HUMANSCALE(Station, ensurface du sol)

GLOBALSCALE(Systèmes terrestres)

Etudes des processus dans le milieu organisé du sol___________________________________________________________________________________________________________www.biologie.ens.fr/bioemco

MACROSCALE(carte des sols)

Le challenge: le couplage des modèles biologiques avec la physique du milieu organisé du sol

Nombreux sont les processus étudiés dans le sol-Minéralisation de la M.0. du sol- Dynamique racinaire, échanges d’éléments avec la rhizosphère-Microbiologie du sol- Cycles de N et C …- Pesticides transfert, accumulation, etc. Mais, des constats étonnants:

La typologie du milieu sol n’existe pas

Aucun modèle de « structure du sol en interaction avec l’eau » n’existe aujourd’hui dans les modèles agronomiques

Le climat interne dans le sol, n’est pas défini ni à fortiori sa dynamique avec le climat externe

- Le sol est un milieu physique organisé, lieu d’accueil et de conditionnement pour les organismes vivants, leurs formes et activités.

- Il fonctionne avec l’eau et l’air qui sont les phases mobiles abiotiques organisées autour de la phase solide, laquelle constitue la structure du sol et sert de référant spatiale.

La carte pédologique, support d’info pour la modélisation spatialisée de

toute activité (bio-géo…) du sol


Le pédon, Volume Structural Elémentaire Représentatif (SREV) de

l’unité cartographique de sol

La modélisation doit respecter les niveaux d’échelle d’organisation


Primary soil mapping unitSoil type

Unité géomorphologique

REV

Unité cartographiquede sol

Assemblage des peds primaires

Pedon Porosité inter ped

Plasma argilo-humique

Porosité plasmique (texturale)

Unités cartographiques Pédon Pédostructure Ped primaire

Modéliser physiquement le processus au niveau d’échelle où il se produit, en l’occurrence le milieu sol ; Passer par intégration à l’échelle suivante, le pédon ; la précision physique est conservéePuis passer statistiquement du pédon à l’unité caractéristique de sol : passage à une représentation statistique de la production biologique par une unité cartographique de sol ; mais la nouveauté consiste en ce que 1) l’unité cartographique représente un type de sol bien défini (caractérisé par ses horizons et leur pédostructure) et 2) la dynamique hydro-structurale du pédon (pédoclimat) est en relation physique avec le climat au dessus du sol.


Mesure des caractéristiques de la pédostructure sur échantillon standard

Laser spot and laser beam

Measurementapparatus

Balance

Soil sample moistening

Soil core

Sand

box

La courbe de retrait V(W) est l’une des trois équations d’état caractéristiques de la pédostructure


Equation du potentiel thermodynamique du « Milieu Sol »

Equation du potentiel thermodynamique de Gibbs rapportée à la masse solide de la pédostructure

aw dAdWdPVdTSGd

La courbe de retrait : et la la courbe de potentiel de l’eau caractérisent le comportement hydrostructural de la pédostructure. La méthodologie de mesure au laboratoire est bien établie. Les paramètres de ces équations sont utilisés comme critères de différenciation des types de sols du point de vue fonctionnel.Le pédoclimat consiste en la mise en relation dynamique des états d’équilibre thermodynamique de la pédostructure avec les variations climatiques externes, à la surface du sol.

Ww WV

où et Les coefficients dans l’équation d’équilibre où dG=0 sont dépendants de la teneur en eau W et constituent les équations d’état caractéristiques de l’équilibre énergétique du milieu en fonction de la teneur en eau.

SSSS /; ; ; mmWmVVmSSmGG w SmmA a


Modélisation physique du Pédon, de la pédostructure et du pédoclimat par Kamel®

Eau macro-porale

air

airair

air

S-matrix ()

Modèle fonctionnel de la Pédostructure

Espace inter agrégats

Transferts eauInter agrégats

Espace intra agrégats

Transferts d’eauinter-intra agrégats

Eau microporale d’absorption

Eau résiduelle

PedostructurePedon

Interped pore space Vpma

Primary peds micro pore space

Vpmi

Primary peds

Mineralgrains

Clayey horizon

Sandyhorizon

Structure Representative

Elementary Layers

(SRELs)

Modeling the Soil System: Bridging the Gap Between Pedology and Soil-Water Physics. Braudeau, E. and Mohtar, R.H.. Global Planetary Change Journal. 67: 51-61, 2009Kamel®, Simile version, Braudeau, E. 2006. Agence pour la Protection des Programmes, Paris, IDDN.FR.001.390019.000.S.P.2006.000.31500.

Kamel® is a multi-scale « soil water» computer model based on the pedostructure concept

Le nouveau paradigme de la Pédologie hydrostructurale


Nature and morphology

Evolution

Functionality

Soil Physics

Pedology

Axe I

Axe II

Axe III

1er cas: Le pédon est un ensemble de couches homogènes, sans organisation interne. 2ème cas: chaque horizon est caractérisé par les paramètres hydrostructuraux de sa pédostructure (équilibre et dynamique)

Texture + MOet PTFs par couches de sol

Types pédo-génétiques+ épaisseur des horizons + Types de pédostructures

Cartes thématiques

SIRS-Sols =Carte pédo, unités de sol caractérisées par les paramètres de modélisation hydrostructurale du pédon


3 0 0 0 3 0 0 6 0 0 M e t e r s

N

E W

S

A r g i l e u x A r g i l o - l i m o n e u x A r g i l o - s a b l e u x L i m o n o - a r g i l e u x L i m o n e

u x L i m o n o - s a b l e u x E q u i l i b r é S a b l o - a r g i l e u x S a b l e u x S a b l o - l i m o n e u x S t r a t i f i é

# O b s e r v a t i o n à

l a t a r i è r e

C l a s s e s d e t e x t u r e

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T 1 8 T 2 1 T 2 2 T 2 3

T 0 1

T 0 3

T 1 6 T 1 7

T 0 4 T 0 8

T 1 9 T 2 0 T 2 4

T 0 2 T 0 5

T 0 6

T 0 9

T 0 7

T 1 2

T 1 1

T 1 0

T 1 3

T 1 4 T 1 5

P r o f o n d e u r : 7 0 - 9 0 c m

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T 1 8 T 2 1 T 2 2 T 2 3

T 0 1

T 0 3

T 1 6 T 1 7

T 0 4 T 0 8

T 1 9 T 2 0 T 2 4

T 0 2 T 0 5

T 0 6

T 0 9

T 0 7

T 1 2

T 1 1

T 1 0

T 1 3

T 1 4 T 1 5

S u r f a c e : 0 - 3 0 c m

Carte de texture d’une parcelle agronomique à deux profondeurs

Carte des sols simplifiée de la Martinique (Numérisée en 2004 d’après Colmet Daage, 1969)

Deux conceptions très différentes de la cartographie des sols et du système

d’information qui en découle

La méthodologie du SIRS-Sols: anciennes cartes des sols numérisées et recadrées suivant l’approche systémique puis ré-renseignées avec les paramètres de modélisation du pédon/pédostructures)


Wrapper

Soil - Erosion

Conception actuelle de la plateforme de modélisation du système sol (modèle APES)

Soil - Nitrogen

Soil - Roots

Soil component

Soil - Tillage

Soil - Carbon

Soil - Water

Management Simulation Engine OutputGlobal variables

Soil and processes rate variables

Weather

Land useExternal events

Initialstate

Pedonframe

allows linking model components and provides common services (integrator, simulation time

manager, envents handler…


Global variables

Initial status and external events

Idée de plateforme de modélisation reposant sur les concepts de pédostructure et pédoclimat

Events Management

OutputsTransfer of

scaleslocal/global

ROOTS, PLANT NUTRITION

Thermodynamic states of the organized soil medium

Pedostructure and pedoclimate represent soil physical conditions for

all biological activities and lifes in soil at given depth

Integrated state variables of soil and processes at the pedon scale

Management

Weather

Land use

WATER, RUNOFF

C - N

MICROBIALACTIVITY

SIMULATOR


Conclusion I

• Nous avons présenté une toute nouvelle manière de caractériser et modéliser les propriétés physiques du sol, lesquelles sont entièrement dépendantes de la structure hiérarchisée de la phase solide et à son interaction énergétique avec l’eau.

• Cette nouvelle manière constitue un nouveau paradigme de la physique du sol qui renoue avec la Pédologie et l’approche systémique des organisations naturelles ; détrônant en cela l’ancien paradigme basé sur la mécanique des milieux poreux continus.

• Loin de vouloir tout effacer pour recommencer à zéro, il s’agit seulement de donner un nouveau cadre de référence, générique cette fois, à la modélisation, l’instrumentation, la recherche, la constitution des bases de données géoréférencées et l’expertise dans les sciences agroenvironnementales, en tout ce qui concerne la relation des objets d’étude de ces disciplines avec le sol.


Conclusion II

• Concernant les sols, non seulement la masse d’information existante (cartes pédologiques notamment, bases de données), peut (et devrait) être réactualisée dans ce nouveau paradigme (introduction en SIRS-Sols) mais aussi les principes de base des nouveaux moyens de mesure ou d’investigation, comme les techniques géophysiques ou l’imagerie satellitaire pour le zonage et la reconnaissance des sols, devraient être recadrés dans ce nouveau paradigme.

• Finalement, la méthodologie de modélisation physique et systémique du sol présentée ouvre l’accès:

- À une typologie des sols qui permet la comparaison des études géographiquement distantes

- À une réactualisation des cartes pédologiques (SIRS-Sols) pour la modélisation globale de l’état, de l’activité et l’évolution des processus du sol

- Au couplage de modèles biologiques et géochimiques avec le type de sol (interdisciplinarité);

– À la recherche fondamentale sur les mécanismes d’interaction entre l’eau et la phase solide du solide

Technology

Pedostructure et pedoclimat, concepts clefs de la physique du "Milieu sol"