Typologie des sols en Charente-Maritime et caractérisation analytique.

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1 Chambre d Agriculture de Charente-Maritime Département Environnement Novembre 200 Typologie des sols en Charente-Maritime et caractérisation analytique. Jean-Philippe BERNARD et Pierre-Emmanuel PAPINOT (stagiaire) Avec la participation de Corinne LOMBARD-GENDRET, David JULLIEN, Benoît VOLTAIRE, et Sylvette GOMBERT Chambre d Agriculture de Charente-Maritime Préambule : tester notre nomenclature des sols du département. En juin 200, un travail important d archivage et structuration de la collection d analyse de sols détenues par l équipe «Recyclage Agricole des Déchets» (RAD) du département Environnement. 597 analyses de sol ont été réunies au sein d une petite application de base de données pour être testée et éventuellement utilisée à des fins statistiques. La plupart du temps ces analyses, à finalité agronomique, ne comportent aucune indication quant à la nomenclature du sol, ou alors avec indication assez approximative. L idée était d exploiter la couverture systématique des sols que propose la carte des pédo-paysages au 1/ du département source - Données pédologiques : «IGCS Poitou-Charentes : CRA PC, IAAT, INRA» - pour vérifier si la nomenclature des sols utilisée en Charente-Maritime pouvait être confirmée sur des profils de caractérisation physico-chimique homogènes et stables. La collection des analyses de sol. Les analyses de sol que gère l équipe «RAD» renseignent 28 paramètres que nous regroupons en trois grands critères : L état textural, qui regroupe les propriétés physiques, avec le taux d argile (en % o de masse de terre fine sèche), le taux de sable fin (% o ), le taux de sable grossier (% o ), le taux de limon fin (% o ), et le taux de limon grossier (% o ), le taux de matière organique (M.O) (% de masse de terre) et le taux de calcaire total (%) ; L agronomie, avec les taux d azote total, de phosphore, de potassium, de magnésium, de calcium et de sodium (en g/kg de terre fine). Nous y avons placé également le ph eau et la capacité d échange cationique (C.E.C.) (cmol+/kg de terre fine) ; L innocuité ou état environnemental, avec les oligo-éléments ; le cuivre, le zinc, le manganèse, le bore, le molybdène et le fer (mg/kg de terre fine), et les éléments traces exigés par la réglementation des épandages de boues d épuration urbaine, le plomb, le cadmium, nickel, chrome, mercure, sélénium, et le cobalt (mg/kg de terre fine). 1

2 Chambre d Agriculture de Charente-Maritime Département Environnement Novembre 200 La typologie des sols de Charente-Maritime La typologie des sols utilisée dans ce travail est celle présentée par la carte des pédo-paysages au 1/ ème - Données pédologiques : «IGCS Poitou-Charentes : CRA PC, IAAT, INRA». On s est particulièrement intéressé aux sept principaux types (au sens de la surface couverte) : les Champagnes, les Groies, les Sols limoneux, les Doucins, les Sables hydromorphes, les Sables sains et les Marais calcaires. L équipe «RAD» gèrent les plans d épandage de boues d épuration qu elle suit à l aide d un système d information géographique - Mapinfo - et dispose donc des parcelles culturales analysées sous forme d objets géographiques géoréférencés. En croisant les couches parcellaires des plans d épandage avec la version numérique de la carte des pédo-paysages, nous avons associés les analyses et les types de sol, d après une nomenclature homogène. Ce travail d identification géographique a permis de constituer une collection de 5 analyses identifiées par un type de sol. Méthode d étude : l analyse factorielle discriminante. Pour mener notre étude, nous avons principalement la méthode de statistique descriptive appelée «analyse factorielle discriminante» (AFD). Cette méthode permet de tester la pertinence d une partition d une population d individus en différents groupes (classes, catégories ) d après un ensemble de paramètres quantitatifs décrivant chaque individu. Elle détermine également pour chaque classe une fonction prédictive permettant de déterminer le groupe d appartenance le plus probable pour chaque individu. L AFD procède en construisant, par combinaison linéaire des paramètres d origines, de nouvelles variables sans signification physique mais plus efficaces pour séparer les différentes classes. Une représentation graphique sous forme de nuage de points permet de visualiser la pertinence des groupes, avec les variables discriminantes construites comme axe de projection. Dans notre cas d illustration, la partition étudiée est celle des analyses de sol établie à partir des sept principaux types de la nomenclature de la carte des pédo-paysages, et les paramètres descriptifs sont les caractéristiques physico-chimiques mesurées par les analyses. Il faut noter que notre collection d analyses n était pas homogène du point de vue du nombre paramètres analytiques mesurés : Certaines analyses appelées «points zéros» réalisés à l origine d un plan d épandage sont des états de référence et renseignent les 28 paramètres étudiés ; 2

3 Chambre d Agriculture de Charente-Maritime Département Environnement Novembre 200 D autres analyses proviennent d un suivi plus spécifique et, ne proposent que certains paramètres analytiques agronomiques principalement. Nous avons donc exécuté plusieurs analyses discriminantes sur des populations statistiques différentes en fonction des paramètres analytiques retenus, tout en conservant les trois groupes "naturels" de paramètres. Valeur discriminante des caractéristiques texturales : peut-on associer des caractéristiques texturales aux différents types de sols? Première approche : analyse appliquée à l ensemble des paramètres physiques. Nous avons commencé par l étude des paramètres physiques renseignant l état textural : l argile, les limons fin et grossier, les sables fin et grossier, la teneur en matière organique (M.O), le ph eau, la teneur en calcaire total, le rapport C/N et la CEC. Pour l ensemble de ces paramètres, nous avons pu disposer d une population statistique de 67 analyses utilisables. Examen du graphique 1 : dispersion du nuage des individus Sur la représentation graphique, on remarque que les points représentant chaque analyse ou individu - sont bien dispersés et mélangés. Les classes pédologiques qu ils représentent se chevauchent. On ne voit pas de groupe bien distinct et bien différencié des autres. Examen du tableau 1 : stabilité des groupes par type de sol La méthode d analyse analyse prédictive utilisée par le logiciel permet de calculer pour chaque individu un nouveau groupe d appartenance la plus probable en l occurrence un nouveau type de sol. Le tableau croisé présenté permet alors de vérifier la stabilité de chaque groupe (type de sol) en comparant le nombre d individus (analyses) restées dans le même groupe sur la diagonale à ceux qui ont changé de groupe. Un indice de reclassement donne le pourcentage d individus "instables", c'est-à-dire ceux qui ont changé de groupe. Dans le cas de cette première analyse des paramètres physiques, certains type de sol sont trop peu représentés pour accorder suffisamment de signification aux indices de reclassement, et pour le mieux représenté la catégorie des doucins l indice de reclassement trop fort infirme l existence d un profil pertinent des paramètres physiques pour ce type de sol. 3

4 Axe Vertical F 2 Chambre d Agriculture de Charente-Maritime Département Environnement Novembre 200 Graphique 1 : analyse factorielle discriminante de l état textural 67 enregistrements Douc calcairetotal CEC 12Champ 3Douc 1Groie sablefin on sablegross 1Douc pheau 6Douc 1Douc 6Douc 6Champ 1Groie 6SablH on 0 on argile on -1 2Groie 6Douc ouc on ouc on 5SablH on limonsfins on C/N Marc -1 MO(%O) ouc 6Douc 5SablH ouc on 5SablH limonsgrossier SablH - Marc Marc -5 Axe Horizontal F 1 Tab. 1 : Répartitions initiale et prédictive des analyses texturales par type de sol. Code : 1= Champagne 2= Doucins 3= Groies = Marais calcaire 5= Sable hydromorphe 6= sol limoneux Groupe estimé Groupe initial Total % reclassé ,3% ,% ,6% 3 3 0,0% ,0% ,0% Nous en avons conclu qu il était peu vraisemblable de pouvoir "profiler" les types de sols à partir de l ensemble des paramètres physiques retenus. Sélection des analyses de références. Vu les résultats de l analyse précédente, il nous est apparu plus judicieux de procéder à un tri des paramètres physiques servant à discriminer les types de sol, en particulier en fonction du nombre d analyses exploitables que le tri permet d obtenir. Nous avons identifié dans notre base de données les paramètres "C/N" et "Taux de calcaire total" comme celles qui limitent le plus la quantité d analyses disponible : ils

5 Chambre d Agriculture de Charente-Maritime Département Environnement Novembre 200 sont peu souvent déterminés. Malgré l intérêt de ces deux paramètres, le faible nombre de cas renseignés les rend plus limitants que déterminants. En retirant ces deux variables, on monte de 67 à 317 analyses utiles, avec l espoir de résultats statistiquement plus robustes. La second analyse discriminante, utilisant la liste simplifiée des paramètres physiques et utilisant les 317 enregistrements donnent les résultats des graphique et tableau. 2. Un début de partition en trois groupes apparaît mais l analyse prédictive montre encore une grande proportion d analyses reclassées : 100% pour les Sables sains, plus de 50% pour les Doucins et les Marais calcaires. Comme troisième étape, nous avons cette fois-ci trié et choisi les individus, c'est-àdire les analyses. Nous avons constitué une population d étude avec les individus stables conservant comme type de sol calculé celui choisi initialement d après la seconde AFD, et nous avons réalisé une troisième AFD sur cette population. La troisième AFD confirme l émergence des trois groupes apparus avec la seconde : le groupe des Groies, le groupe des Sables et des Limons, le groupe des Champagnes et des Doucins. On obtient donc par cette méthode une collection d analyses représentatives d un type de sol. Les valeurs de paramètres de ces analyses permettent de caractériser ces types de sol. Capacité discriminante des paramètres agronomiques. Nous avons procédé de la même façon pour l étude des variables agronomiques : à partir de la collection initiale, le tri des analyses sur les paramètres pheau, MO(%o), K2O(g/Kg), P2O5(g/Kg), MgO(g/Kg) et CEC(Cmol+/Kg) a abouti à une série de 218 analyses. Les résultats sont présentés dans le graphique et le tableau 3 : La représentation graphique fait apparaître des groupes assez distincts, avec une discrimination assez marquée par la variable F1 et un type de sol Marais calcaire - individualisé par la variable F2. On peut remarquer également sur le graphique la disposition des paramètres agronomiques, qui spécifie certains groupes. On peut notamment constater que les sols «riches» avec présence de matière organique (MO) et d éléments minéraux (K 2 O) de type «Groie» - s oppose aux sols «pauvres» de type «Sable». 5

6 Axe Vertical F 2 Chambre d Agriculture de Charente-Maritime Département Environnement Novembre 200 Graphique 2 : analyse factorielle discriminante de l état textural simplifié 317 enregistrements 7 6 1Groie CEC argile 3 1Douc Douc 1Douc 2 3Douc Douc 1SablesS Champ Douc 1Douc 1Douc pheau Douc 2Groie 3Marais ons Marais Marais Champ 1 3Douc 3Marais Marais Marais 2SablesH 2SablesH ons MO(%O) limonsfins 2SablesS Marais 6Groie 2Groie 2Groie 2SablesS 2Marais Marais 3Limons 2SablesS 2Groie 6Douc 3Douc 0 6Groie Douc ons ons ons ons Douc Limons 0 2SablesH Limons 3SablesH 2SablesH ons Douc Douc 3Douc 6Groie SablesH 7Marais 6Groie ouc ouc 5SablesS 6SablesH ons 5SablesH 7Marais 5SablesH 5SablesH Douc ouc ouc 5SablesH 5Marais ons 5SablesS -1 5SablesH 7Marais 7SablesH 3Marais 5Limons 7Groie 7Groie 7SablesS sablegross ouc 7SablesH 5SablesH ouc 7SablesH 7SablesH 5SablesH 5SablesH 5SablesS sablefin 5Limons 5SablesH 5SablesS 5SablesH 5SablesS ouc 7SablesH 5SablesH 5SablesH 5Limons 5SablesH 5SablesH -2 ouc 5Limons 5SablesH 5Limons ouc 5SablesH 5SablesH 5Limons 5Limons 5-3 limonsgrossier Axe Horizontal F 1 - Tab. 2 : Répartitions initiale et prédictive des analyses texturales simplifiées par type de sol. Codes : 1= Champagne - 2= Doucins - 3= Groies - = Marais calcaire - 5= Sables hydromorphes - 6= Sables sains 7 = Sol limoneux Groupe initial Groupe estimé % reclassé ,70% ,35% ,66% ,33% ,50% ,00% ,5% 6

7 Axe Vertical F 2 Chambre d Agriculture de Charente-Maritime Département Environnement Novembre 200 Graphique 3 : analyse factorielle discriminante des propriétés agronomiques 218 enregistrements. 20 MgO(g/kg) K2O(g/kg) pheau 6Dou 3Dou 2Groie 2Groie CEC 6SabH 0 P2O5(g/kg) SabH MO(%O) Axe Horizontal F 1-5 Tab. 3 : Répartitions initiale et prédictive des analyses agronomiques par type de sol. Code : 1= Champagne 2= Doucins 3= Groies = Marais calcaire 5= Sable hydromorphe 6= sol limoneux Groupe estimé Groupe initial Stables % reclassés ,00% ,5% ,89% ,00% ,00% ,00% D après l étude de la fonction prédictive de l AFD, le reclassement des différents types de sol est inférieur systématique inférieur à 10% voire nul pour certains. On peut donc considérer ces analyses stables vis à vis de la typologie des sols et qu elles constituent une collection de référence pour la caractérisation agronomique des principaux types de sol. 7

8 Chambre d Agriculture de Charente-Maritime Département Environnement Novembre 200 Capacité discriminante des paramètres d innocuité (éléments traces). Nous avons employé la même démarche que précédemment pour étudier les caractéristiques en éléments traces métalliques (ETM) des différents types de sol. Dans une première phase, une AFD a été réalisée sur 150 analyses renseignées pour l ensemble des ETM B, Co, Fe, Mn, Mo, Cu, Cr, Ni, Zn, Cd, Pb et Hg : sur le graphique présentant le nuage des individus, aucun type de sol n a pu être individualisé ; les indices de reclassement ont montré un fort taux de redistribution d analyses. Les paramètres ET ont été fractionné en deux familles : 1. les oligo-éléments (B, Co, Fe, Mn, Mo), 2. les éléments traces "sensibles" (Cu, Cr, Ni, Zn, Cd, Pb, Hg). Cette démarche a permis d augmenter le nombre d analyses utilisables pour chaque famille de paramètres. La suite de l étude s est portée sur l analyse séparée de ces deux catégories : cf. graphiques 5 et 6, tableaux 5 et 6. On a observé les mêmes résultats que précédemment. La teneur en ETM n apparaît pas comme un facteur de détermination du type de sol. Conclusion L ensemble de ce travail d exploitation par méthode statistique discriminante a permis de repérer deux familles de paramètres analytiques utiles pour la caractérisation des types de sol : une famille de paramètres physiques et une famille de paramètres agronomiques. La capacité discriminante des paramètres physiques n est pas surprenante : la nomenclature vernaculaire des sols utilisée sur le département est basée principalement sur des aspects texturaux. Encore fallait-il le démontrer statistiquement. Par contre la mise en évidence d une capacité discriminante de paramètres agronomiques était moins évidente puisque cette famille de propriété est la plus variable dans le temps. 8

9 Axe Vertical F 2 Axe Vertical F 2 Chambre d Agriculture de Charente-Maritime Département Environnement Novembre 200 Graphique 5: analyse factorielle discriminante des teneurs en oligo-éléments 182 enregistrements. 7L 1Sh 3 7D 7L 7Sh 2 7L 7Sh 7Sh 1D 1C 1G 7L 7Sh 7L 1C 1C 5L 5L 7L 7L 1 1G 7L 5L 7Sh 7L 1L 7L 7D 1G 1D 3D 5L 5L 5L 1S 2D 2G 2D 2D 1G 1G 5L 5L 2L 7L 7L 7L 7L Mn 7L M 1G 5L 5L 2Sh Mo 7L 5Sh 2D 7D 2D 1G 2D 5Sh 5Sh 5L 5L 7L 0 2L D 6D 2G M 6C M 7S 7L 2S B 8 Fe 6D 2D 6D 7S M 2D 6S 6L 6L 2Sh -1 M 6L 6D 6L 6D 2Sh 6D 6S 2D M 6D Co -2 M 6L 6L 6Sh 6L 6S 6S 6Sh -3 6D 6S - -5 Axe Horizontal F 1 Graphique 6: analyse factorielle discriminante des teneurs en éléments traces sensibles 256 enregistrements Douc 1SabH 2 Cr 2SabH 3Douc Ni 1Groie 1Douc 1SabH 1Groie 1Douc Douc 1Groie 3Lim Zn 1 2Champ 1Douc 1Lim 1Groie 1Groie Cd 2Champ 1Douc 1Douc 1Groie 1Lim 1SabH 1Groie 7Lim 1Douc 1Douc 7SabH 2Sa 2SabH 1SabH 1Douc 1Groie 1Groie Hg 3Marr 3SabH 7Champ ouc 7Lim 7Lim 2Sa 1Sa 7Lim 0 6Douc 1Douc 7SabH 7Lim 5Lim Sa 7Sa 3SabH 6SabH 7SabH 7Lim Pb 7Lim 6Douc 5Marr SabH 6Sa 6Sa 5Lim 5Marr -1 6Douc ouc 6Douc 6SabH Cu 6Douc -2 6Sa 6SabH -3 6SabH - -5 Axe Horizontal F 1 9

10 Chambre d Agriculture de Charente-Maritime Département Environnement Novembre 200 Tab. 5: Répartitions initiale et prédictive des teneurs en oligo-éléments par type de sol Code : 1= Champagne 2= Doucins 3= Groies = Marais calcaire 5= Sable hydromorphe -= Sables sains 7= sol limoneux Groupe estimé Groupe initial Total % reclassées ,00% ,50% ,00% 7 7 0,00% ,57% ,% ,1% Tab. 6: Répartitions initiale et prédictive des teneurs en éléments traces sensibles par type de sol Code : 1= Champagne 2= Doucins 3= Groies = Marais calcaire 5= Sable hydromorphe -= Sables sains 7= sol limoneux Groupe estimé Total Groupe initial % reclassées ,50% ,7% ,06% ,27% ,61% ,56% ,33% Le travail d exploitation nous a permis également d identifier plusieurs collections d analyses représentant des profils paramétriques spécifiques de type de sol : la collection identifiant les types de sol par rapport aux paramètres physiques comprend 172 analyses ; la collection identifiant les types de sol par rapport aux paramètres agronomiques comprend 218 analyses. Ces collections vont pouvoir servir de référence pour l élaboration de statistique de caractérisation des sols. On pourra s appuyer pour cela sur la collection regroupant les analyses communes aux deux collections "physique" et "agronomique", qui comprend 131 analyses. 10