Modélisation des propriétés de rétention en eau des sols caillouteux : application à l'estimation spatialisée de la réserve utile

par Marion Tetegan

Thèse de doctorat en Science du sol

Sous la direction de Isabelle Cousin.

Soutenue le 04-10-2011

à Orléans , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences et technologies (Orléans) , en partenariat avec Institut National de Recherche Agronomique (laboratoire) .

Le président du jury était Ary Bruand.

Le jury était composé de Isabelle Cousin, Ary Bruand, Bas Van Wesemael, Yves Coquet, Denis Baize, Laurent Caner, Claude Doussan.

Les rapporteurs étaient Bas Van Wesemael, Yves Coquet.


  • Résumé

    Les sols sont définis comme étant caillouteux à partir d’une proportion supérieure à 35 % d’éléments grossiers. Les sols caillouteux - dont certains supportent des zones de grandes cultures - couvrent environ 30% de la superficie de l’Europe occidentale. Outre le fait qu’ils sont plus contraignants pour la production agricole car les opérations culturales y sont plus délicates, les sols caillouteux sont souvent des sols peu épais ; ils contribuent ainsi de façon significative à la recharge des nappes mais sont a priori très sensibles au lessivage hivernal du nitrate et des produits phytosanitaires. Malgré leur grande étendue géographique et leurs propriétés spécifiques, les sols caillouteux ont été peu étudiés. Devant ce déficit de connaissances et devant les problèmes spécifiques posés par les sols caillouteux (variabilité de la phase caillouteuse, échanges entre la phase caillouteuse et la fraction fine des sols), tant en termes de production végétale qu’en termes de protection de l’environnement, ce projet de thèse a eu pour objectifs de : i) déterminer la réserve utile des éléments grossiers de sols caillouteux d’origine sédimentaire ; ii) d’évaluer qualitativement et quantitativement la pierrosité de sols caillouteux à l’échelle parcellaire ; et iii) d’estimer la réserve utile effective de sols caillouteux et leur fonctionnement hydrique sur de grands territoires agricoles. Grâce à des analyses au laboratoire, nous avons montré que les cailloux étaient saturés en eau à -100 hPa et que les teneurs en eau à la capacité au champ et au point de flétrissement pouvaient s’exprimer simplement en fonction de la masse volumique, ce qui a permis de définir des fonctions de pédotransfert robustes et opérationnelles pour le calcul de l’humidité utile des éléments grossiers. Grâce à l’analyse du bruit du signal de la résistivité électrique, mesurée in situ par prospections géophysiques, il a été possible d’évaluer leur pierrosité volumique à l’échelle d’une parcelle. Enfin, à l’échelle régionale, nous avons montré que la non-prise en compte du volume de la phase caillouteuse et/ou de ses propriétés conduisait à des sous-estimations de 20 % de la réserve utile, ce qui avait pour conséquence une surestimation du déficit hydrique de 20 mm par an en moyenne, avec une grande variabilité spatiale. Ces travaux permettront, à terme, une meilleure gestion spatialisée des agrosystèmes, aux échelles locales et régionales. En effet, les nouvelles propriétés hydriques calculées permettront d’améliorer la compréhension du fonctionnement environnemental spatialisé des sols afin de mieux estimer certains risques (lessivage de nitrate, émissions de gaz à effet de serre par les sols, etc.).

  • Titre traduit

    Modeling of water retention properties of stony soils : application to the spatial estimation of the soil available water content


  • Résumé

    Stony soils are soils containing a proportion of rock fragments larger than 35%. These soils - including intensive agricultural areas - cover about 30% of the surface of Western Europe. Stony soils are not only more stringent for agricultural production because the farming operations are usually more difficult, but also they are often thin; they then significantly contribute to the groundwater recharge, but are they are very sensitive to winter leaching of nitrate and pesticides. Despite their geographical spread and their specific properties, the stony soils have not been largely studied whereas they present specific scientific problems (variability of phase stony, exchanges between the stony phase and the fine fraction of soil). In that context, this thesis aimed at: i) determining the available water content of rock fragments from rock fragments of sedimentary origin; ii) assessing qualitatively and quantitatively the stoniness of stony soils at field scale; and iii) estimating the effective available water content of stony soils and their hydric functioning for large agricultural areas. From laboratory experiments, we demonstrated that rock fragments were saturated for a water potential of -100 hPa and that their water content at field capacity and at permanent wilting point could be easily estimated from their bulk density, which enable to define robust and operational pedotransfer functions for the estimation of the available water content of rock fragments. Thanks to the analysis of the signal noise of the electrical resistivity, measured in situ by geophysical prospectings, it was possible to assess the stoniness of stony soils at the plot scale. Finally, at the regional scale, we demonstrated that the available water content could be underestimated of about 20 % when the volume and/or properties of rock fragments were not taken into account, which induced overestimations of the hydric deficit of about 20 mm as a mean, with high spatial variability. This work will ultimately be used for a better spatial management of agricultural soils, at local and regional scales. Indeed, the new hydric properties will help in improving our knowledge of the environmental spatial soil functioning in order to better estimate some risks (nitrate leaching, greenhouse gas emissions from soils).


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