Archivage pédologique et dynamiques environnementales : mise au point d’une méthode de reconnaissance des paléovégétations, fondée sur l'analyse spectroscopique dans le proche infrarouge (SPIR) des matières organiques de sols et paléosols

Soil memory and environmental dynamics : Development of a method for reconstruction of palaeovegetation based on near infrared spectroscopy analysis of soil organic matter

• Auteur / Autrice : Damien Ertlen
• Direction : Dominique Schwartz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géographie
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Strasbourg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie infrarouge proche

Paléopédologie

Mots clés libres

Archive pédologique

Sols

Paléosols

Spir

Résumé

Notre objectif est de développer un nouvel outil d’étude des dynamiques spatiales et temporelles des paléovégétations. Le point de départ de cette démarche est le constat que l’analyse des archives naturelles, sédimentologiques ou pédologiques, comporte des limites ne permettant pas toujours d’aborder à l’échelle locale les dynamiques séculaires ou millénaires des unités paysagères. Notre travail consiste à mettre au point une méthode d’étude des archives pédologiques fondée sur les principes de la spectroscopie proche infrarouge (SPIR). La SPIR mesure l’absorbance d’un matériau sur la bande spectrale 1100-2500 nm. Le spectre obtenu discrimine de nombreux constituants de ce matériau. Il donne entre autres une «empreinte digitale » des matières organiques. De ce fait, il est utilisé depuis longtemps dans de nombreux secteurs industriels. En pédologie, il a surtout été utilisé pour quantifier les constituants du sol. Or, la nature des matières organiques des sols est liée aux types de végétaux et végétations présents et passés. Nous testons donc une approche qualitative, qui consiste à associer le spectre d’un échantillon de sol à un type de végétation. La démarche de mise au point s’articule en trois étapes. La première consiste à mesurer le spectre de matières organiques dont l’origine est connue. Nous analysons des échantillons de surface de sols dont l’histoire de la végétation est connue sur une période de 150 ans au moins. Une vaste gamme de formations végétales et de types de sols sont représentés dans le référentiel spectral. La discrimination entre les sols sous prairies et sous forêts est très nette. Des distinctions plus fines entre différentes formations forestières sont également observées. Dans la seconde étape, nous vérifions le potentiel de la méthode sur des matières organiques anciennes conservées dans les horizons profonds. Sur les profils étudiés, la connaissance des paléovégétations à l’échelle du millénaire est fournie par des méthodes paléoécologiques classiques. Nous distinguons les schémas d’évolution avec une grande stabilité de la végétation, des schémas présentant un ou plusieurs changements de végétation. La confrontation des spectres d’horizons profonds avec le référentiel de surface permet de retracer des scénarios qui sont calés chronologiquement grâce à l’apport de la modélisation du turnover des matières organiques. Dans la troisième étape, nous examinons des paléosols. Leur signature spectrale nous indique la nature du couvert végétal avant l’enfouissement du paléosol. Pour le moment, ces derniers résultats sont à nuancer compte tenu du peu de données paléoécologiques complémentaires. Les résultats révèlent un potentiel important de la SPIR dans l’étude des paléovégétations aux échelles locales. Des schémas d’évolutions proposés pour plusieurs des sites étudiés confortent des résultats existants ou apportent de nouveaux éléments pour l’étude des paléovégétations en relation avec l’occupation humaine en Alsace au cours de l’Holocène. Cependant, les investigations méthodologiques devront se poursuivre vers un élargissement du référentiel de surface, du point de vue écosystémique et du point de vue géographique. Les référentiels d’horizons profonds et de paléosols devront également être consolidés par d’autres études paléoécologiques. Ce travail ouvre également des perspectives sur d’autres applications comme le traçage des matières terrigènes dans les cours d’eau.

Our goal is to develop a new tool to study spatial and temporal dynamics of palaeo-vegetation. The limits of existing methods to reconstruct past environment of Holocene and Pleistocene at local scale are the starting point of our approach. Our work is to develop a method to study soil memory based on the principles of near infrared spectroscopy (NIRS). NIRS measures the absorbance of a material on the spectral range 1100-2500 nm. The spectrum collected discriminates many components of this material. It provides a "fingerprint" of organic matter. That is why, it has been used for a long time in many industrial sectors. In soil science, it has been mostly used to quantify the soil constituents. In our work, we focus on the nature of soil organic matter that is related to the types of present and past vegetation. Therefore, we test a qualitative approach of combining the spectrum of a soil sample to a type of vegetation. Our approach consists of three stages. The first is to measure the spectrum of organic matter whose origin is known. Thus, we analyze samples of topsoils from sites where the vegetation is known for at least 150 years. A wide range of ecosystems and soil types are represented in a spectral library. The separation between the soils under grassland and under forests is very clear. Finer distinctions between different forest types are also observed. In the second stage, we check the potential of the method on degraded organic matter in complete profiles. The knowledge of palaeovegetation across the millennium is provided by conventional palaeoecological methods. We distinguish the patterns of evolution with high stability of vegetation from the patterns with one or several changes of vegetation. Comparing the spectra of deep horizons with the reference surface horizons enables to reconstruct scenarios that are chronologically calibrated through the contribution of an organic matter turnover model. In the third stage, we examine buried soils. Their spectral signature indicates the nature of the vegetation cover before the burial of the palaeosoil. However, these last results should be considered carefully due to few complementary palaeoecological data. The results reveal a great potential of the NIRS in studies of paleovegetation at local scales. Scenarios of changes proposed for several studied sites confirm the existing results or bring new elements to the study of palaeovegetation in relation to human impact in Alsace during the Holocene. However, in terms of ecosystem and geographical perspective, methodological investigations should continue towards broadening of the reference surface. References of deep horizons and palaeosols should also be consolidated by further palaeoecological studies. This work also opens up opportunities for other applications such as tracing of terrigenous materials in the water flow.