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Modélisation physique du Pédon, de la pédostructure et du  pédoclimat par Kamel ® ________________________________________...
Le nouveau paradigme de la Pédologie hydrostructurale ____________________________________________________________________...
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Pedostructure et pedoclimat, concepts clefs de la physique du "Milieu sol"

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Erik Braudeau (IRD) présente 2 concepts clefs qui permettent l'interdisciplinarité des sciences agroenvironnementales avec la science du sol.

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  • La question du sol se retrouve posée dans toutes les disciplines agro-environnementales, lesquelles se répartissent selon les niveaux d’échelle donné: de l’échelle micro, dans le milieu sol, à l’échelle stationnelle du pédon, puis macro des unités primaires de sol et enfin aux échelles globales, au niveau d’une région, paysage, et + En fait, la question posée est celle de la relation des ces disciplines (ou sciences) agro-environnementales avec LA science du sol, la pédologie, où le sol est pris comme l’objet central d’étude et de connaissance. Aujourd’hui ces disciplines sont très compartimentées, les processus dans le milieu sol ne sont pas reliés physiquement aux effets à la surface du sol, et encore moins aux modèles globaux qui sont sensés donner des tendances d’évolution: tout lien dynamique entre l’intérieur et l’extérieur du sol est exclue, toute transmission de l’information du niveau des processus dans le sol aux échelles macro et globales à la surface du sol est impossible: Une seule raison: pas de connaissance du fonctionnement hydrostructural du sol : fonctionnement
  • Pedostructure et pedoclimat, concepts clefs de la physique du "Milieu sol"

    1. 1. ___________________________________________________________________________________________________________ www.biologie.ens.fr/bioemco 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@LIMEDiterrannée 6 Novembre 2009 Pedostructure et pedoclimat, concepts clefs de la physique du « Milieu Sol »
    2. 2. 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 Représentatif Elémentaire (REV) de l’unité de sol Unités géomorphologiques, pédologiques, parcelles agronomiques Unités cartographiques de relief, paysage, bassin versant , écosystèmes, etc. MICRO SCALE (Milieu Sol) HUMAN SCALE (Station, en surface du sol) GLOBAL SCALE (Systèmes terrestres) Etudes des processus dans le milieu organisé du sol ___________________________________________________________________________________________________________ www.biologie.ens.fr/bioemco MACRO SCALE (carte des sols)
    3. 3. Le challenge: le couplage des modèles biologiques avec la physique du milieu organisé du sol <ul><li>Nombreux sont les processus étudiés dans le sol </li></ul><ul><li>Minéralisation de la M.0. du sol </li></ul><ul><li>Dynamique racinaire, échanges d’éléments avec la rhizosphère </li></ul><ul><li>Microbiologie du sol </li></ul><ul><li>Cycles de N et C … </li></ul><ul><li>Pesticides transfert, accumulation, etc. </li></ul>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 ___________________________________________________________________________________________________________ www.biologie.ens.fr/bioemco Le pédon, Volume Structural Elémentaire Représentatif (SREV) de l’unité cartographique de sol
    4. 4. La modélisation doit respecter les niveaux d’échelle d’organisation ___________________________________________________________________________________________________________ www.biologie.ens.fr/bioemco 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 conservée Puis 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 . Primary soil mapping unit Soil type Unité géomorphologique REV Unité cartographique de sol Assemblage des peds primaires Pedon Porosité inter ped Plasma argilo-humique Porosité plasmique (texturale) Unités cartographiques Pédon Pédostructure Ped primaire
    5. 5. Mesure des caractéristiques de la pédostructure sur échantillon standard ___________________________________________________________________________________________________________ www.biologie.ens.fr/bioemco 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 Laser spot and laser beam Measurement apparatus Balance
    6. 6. ___________________________________________________________________________________________________________ www.biologie.ens.fr/bioemco Equation du potentiel thermodynamique du « Milieu Sol » Equation du potentiel thermodynamique de Gibbs rapportée à la masse solide de la pédostructure 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. où et Les coefficients dans l’équation d’équilibre où d G =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.
    7. 7. Modélisation physique du Pédon, de la pédostructure et du pédoclimat par Kamel ® ___________________________________________________________________________________________________________ www.biologie.ens.fr/bioemco 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, 2009 Kamel®, 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 Eau macro- porale air air air air S-matrix () Modèle fonctionnel de la Pédostructure Espace inter agrégats Transferts eau Inter agrégats Espace intra agrégats Transferts d’eau inter-intra agrégats Eau microporale d’absorption Eau résiduelle
    8. 8. Le nouveau paradigme de la Pédologie hydrostructurale ___________________________________________________________________________________________________________ www.biologie.ens.fr/bioemco Nature and morphology Evolution Functionality Soil Physics Pedology Axe I Axe II Axe III 1 er cas: Le pédon est un ensemble de couches homogènes, sans organisation interne. 2 ème cas: chaque horizon est caractérisé par les paramètres hydrostructuraux de sa pédostructure (équilibre et dynamique) Texture + MO et 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
    9. 9. Deux conceptions très différentes de la cartographie des sols et du système d’information qui en découle ___________________________________________________________________________________________________________ www.biologie.ens.fr/bioemco 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) 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) 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 # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # 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 # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # 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
    10. 10. ___________________________________________________________________________________________________________ www.biologie.ens.fr/bioemco 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 Output Global variables Soil and processes rate variables Weather Land use External events Initial state Pedon frame allows linking model components and provides common services (integrator, simulation time manager, envents handler…
    11. 11. ___________________________________________________________________________________________________________ www.biologie.ens.fr/bioemco Global variables Initial status and external events Idée de plateforme de modélisation reposant sur les concepts de pédostructure et pédoclimat Events Management Outputs Transfer of scales local/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 MICROBIAL ACTIVITY SIMULATOR
    12. 12. <ul><li>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. </li></ul><ul><li>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. </li></ul><ul><li>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 .  </li></ul>___________________________________________________________________________________________________________ www.biologie.ens.fr/bioemco Conclusion I
    13. 13. <ul><li>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 . </li></ul><ul><li>Finalement, la méthodologie de modélisation physique et systémique du sol présentée ouvre l’accès: </li></ul><ul><ul><li>À une typologie des sols qui permet la comparaison des études géographiquement distantes </li></ul></ul><ul><ul><li>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 </li></ul></ul><ul><ul><li>Au couplage de modèles biologiques et géochimiques avec le type de sol (interdisciplinarité); </li></ul></ul><ul><ul><li>À la recherche fondamentale sur les mécanismes d’interaction entre l’eau et la phase solide du solide </li></ul></ul>___________________________________________________________________________________________________________ www.biologie.ens.fr/bioemco Conclusion II

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