Spacial variability and agro-pedological determinisms of an herbicide fate in the surface horizon

309 Pages·2017·7.19 MB·French

by  Julien Moeys

Spacial variability and agro-pedological determinisms of
an herbicide fate in the surface horizon - an application
to isoproturon in an agricultural catchment of the
”Beauce chartraine” region, France
Julien Moeys
To cite this version:
Julien Moeys. Spacial variabilityand agro-pedological determinisms of an herbicide fate in the surface
horizon-anapplicationtoisoproturoninanagriculturalcatchmentofthe”Beaucechartraine”region,
France. Sciences of the Universe [physics]. AgroParisTech, 2007. English. ￿NNT: 2007AGPT0063￿.
￿pastel-00004448￿
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T
HÈSE

pour obtenir le grade de

Docteur
n° /__/__/__/__/__/__/__/__/__/__/

de

l’Institut des Sciences et Industries du Vivant et de l’Environnement

– AgroParisTech –

Spécialité : sciences du sol

Variabilité spatiale et déterminismes
agro–pédologiques du devenir d’un
herbicide dans l’horizon de surface

application au cas de l'isoproturon
dans un secteur agricole
de Beauce chartraine

présentée et soutenue publiquement par

Julien MOEYS

le 20 décembre 2007

devant un jury composé de

M. Rafael ANGULO-JARAMILLO C.R. ENTPE Rapporteur
M. Guy SOULAS D.R. INRA Rapporteur
MME Liliane BEL M.C. AgroParisTech Examinateur
M. Dominique KING D.R. INRA Examinateur
M. Ludovic LOISEAU Dr. AFSSA Examinateur
M. Yves COQUET Pr. AgroParisTech Directeur de thèse

travail réalisé au sein de l’UMR 1091 INRA / AgroParisTech
Environnement et Grandes Cultures, 78850 Thiverval-Grignon
J. Moeys

[...] The soil technology era ended when we had to
ask and answer questions on the landscape scale.
The research questions had to change. Natural
variability had to be taken into account, and lack of
equilibrium had to be accepted. [...]

WARKENTIN, 1992, Soil Science For Environmental-Quality - How
Do We Know What We Know? Journal of Environmental Quality 21,
p. 163-166. (Cité par Baveye et al., 2006)

« L’aire de la technologie du sol s’est achevée quand nous avons eu à définir et
résoudre des questions à l’échelle du paysage. Les questions de recherche ont dû
évoluer. Il a fallu prendre en compte la variabilité naturelle et accepter l’absence
d’équilibre. »

2
J. Moeys Sommaire
◊ Sommaire abrégé
Partie I Étude bibliographique .......................24

Partie II Le secteur agricole de Ouarville......71

Partie III Matériels & méthodes ....................86

Partie IV Résultats.........................................148

Partie V Discussion & conclusions ................239

Partie VI Annexes..........................................274

◊ Sommaire général
◊
SOMMAIRE ABRÉGÉ.................................................3
◊
SOMMAIRE GÉNÉRAL...............................................3
1 AVANT PROPOS & REMERCIEMENTS .........................13
2 INTRODUCTION, CONTEXTE ......................................16
■ 2.1 Problématique .................................................................16
■ 2.2 Processus en jeu.............................................................17
■ 2.3 Solutions envisageables..................................................18
■ 2.4 Programme de recherche ESHEL....................................19
■ 2.5 Limites méthodologiques.................................................19
3 OBJECTIFS..............................................................21
■ 3.1 Choix méthodologiques initiaux .......................................21
■ 3.2 Objectifs du travail de thèse.............................................22
■ 3.3 Organisation du mémoire de thèse..................................23
Partie I Étude bibliographique .......................24

1 LE SOL : CONSTITUANTS & ORGANISATION...............25
■ 1.1 Phase solide, phase liquide et phase gazeuse du sol......25
3
J. Moeys Sommaire
■ 1.2 Phase solide du sol : constituants....................................26
■ Granulométrie des constituants : texture du sol.....................................................27
■ Constituants organiques.........................................................................................28
■ Complexe argilo-humique.....................................................................................29
■ Masse volumique de la phase solide......................................................................30
■ Niveaux d’organisation du sol et structure............................................................30
■ Masse volumique apparente...................................................................................31
■ Variabilité temporelle de la structure.....................................................................33
■ Phase solide, pédogenèse et variabilité spatiale.....................................................34
■ 1.3 Organisation du sol en horizons.......................................34
■ Caractéristiques......................................................................................................34
■ 1.4 Agencement tridimensionnel des horizons : la couverture
pédologique.....................................................................35
■ Caractéristiques......................................................................................................35
■ Description des variations latérales du sol.............................................................35
■ 1.5 Stratification verticale et latérale de l'horizon travaillé : le
profil cultural....................................................................36
■ Stratification latérale du profil cultural..................................................................36
■ Stratification verticale du profil cultural................................................................36
■ États internes du profil cultural..............................................................................37
2 LES PROCESSUS DE LIXIVIATION DES PRODUITS
PHYTOSANITAIRES DANS LES SOLS...........................37
■ 2.1 Présentation des processus et de leurs interactions........37
■ 2.2 Processus hydrologiques.................................................40
■ Teneurs en eau massiques et volumiques..............................................................40
■ Teneur en eau et potentiel matriciel.......................................................................41
■ Rétention en eau.....................................................................................................42
□ Modèle de Brooks et Corey (1964) pour θ(h).....................................................................43
□ Modèle simplifié de Campbell (1974) pour θ(h).................................................................43
□ Exemples de méthodes de mesure des paramètres.............................................................44
□ Ordres de grandeur, variabilité spatiale et déterminismes agro-pédologiques.................45
■ L’eau du sol et la plante : notion de réserve utile..................................................46
■ Flux et conductivité hydraulique en régime non saturé.........................................47
□ Modèle de Brooks et Corey pour K(h)................................................................................48
□ Modèle de Campbell (1974) pour K(h)...............................................................................48
□ Aperçu des méthodes de mesure des paramètres................................................................49
□ Ordres de grandeur, variabilité spatiale et déterminismes agro-pédologiques.................50
■ La sorptivité...........................................................................................................51
■ 2.3 Transport de soluté..........................................................51
■ Équation de convection-dispersion........................................................................51
■ Flux préférentiels...................................................................................................53
□ Le modèle ‘eau mobile / eau immobile’ (MIM)..................................................................54
□ Ordres de grandeur, variabilité spatiale et déterminismes agro-pédologiques.................55
■ 2.4 Processus physiques, chimiques et biologiques subis par
les produits phytosanitaires..............................................56
■ L’adsorption de solutés organiques par la phase solide du sol..............................56
□ Représentation par le modèle linéaire................................................................................57
□ Représentation par le modèle de Freundlich......................................................................57
□ Normalisation de l’adsorption par le carbone organique..................................................58
□ Aperçu des méthodes de mesure.........................................................................................59
4
J. Moeys Sommaire
■ Dégradation des pesticides dans le sol...................................................................60
□ Représentation par une cinétique exponentielle d’ordre 1.................................................60
□ Représentation par une cinétique bi-exponentielle.............................................................61
□ Aperçu des méthodes de mesure des cinétiques de dégradation§.......................................62
3 L'ISOPROTURON......................................................62
■ 3.1 Structure chimique de l’isoproturon et de ses métabolites63
■ 3.2 Propriétés physico-chimiques..........................................64
■ 3.3 Homologations des usages..............................................64
■ 3.4 Évaluation de son comportement dans les sols...............65
■ Informations fournies par les bases de données et les ouvrages de référence.......65
□ Adsorption (K )................................................................................................................65
OC
□ Dégradation : DT au laboratoire.....................................................................................66
50
■ Adsorption et vitesse de dégradation : variabilité et déterminismes rapportés par
la littérature scientifique........................................................................................66
□ Adsorption (K )................................................................................................................66
OC
□ Dégradation (DT )............................................................................................................68
50
■ 3.5 Occurrences de l’isoproturon dans les eaux de surface et
souterraines.....................................................................69
Partie II Le secteur agricole de Ouarville......71

1 LOCALISATION GÉOGRAPHIQUE................................72
■ 1.1 Localisation......................................................................72
■ 1.2 Extension.........................................................................72
■ 1.3 Géographie......................................................................73
2 DONNÉES MÉTÉOROLOGIQUES.................................75
■ Type de climat.......................................................................................................75
■ Températures moyennes........................................................................................75
■ Précipitations moyennes, répartition mensuelle....................................................76
■ Évènements exceptionnels : précipitations............................................................77
3 ACTIVITÉS AGRICOLES.............................................78
4 CONTEXTE GÉOLOGIQUE..........................................78
■ 4.1 Géologie et hydrogéologie de la Beauce .........................78
■ Le calcaire de Beauce............................................................................................78
■ La nappe de Beauce...............................................................................................78
■ 4.2 Contexte géologique local................................................79
5 CONTEXTE PÉDOLOGIQUE........................................81
■ 5.1 Carte des sols du secteur réalisée par un bureau d’étude
indépendant.....................................................................81
■ 5.2 Horizons caractéristiques des types pédologiques de la
carte ................................................................................84
Partie III Matériels & méthodes ....................86

5
J. Moeys Sommaire
1 DÉMARCHE GÉNÉRALE ............................................87
2 PLAN D'ÉCHANTILLONNAGE.....................................87
■ 2.1 Nombre d’échantillons .....................................................87
■ 2.2 Stratification verticale.......................................................88
■ 2.3 Éléments utilisés pour la stratification..............................89
■ Principe..................................................................................................................89
■ Réalisation.............................................................................................................90
■ Adaptation aux conditions de terrain.....................................................................90
■ 2.4 Localisation géographique des sites – recherche des
sites visés........................................................................91
■ 2.5 Échantillonnage du sol : protocole...................................91
■ 2.6 Résultats : stratification obtenue......................................92
■ Période et condition de prélèvement......................................................................92
■ État du sol et culture en place au moment du prélèvement....................................93
■ Localisation géographique des sites prélevés........................................................94
■ Stratification par rapport au type pédologique indiqué par la carte de sol.............95
■ Stratification par rapport au type de travail du sol.................................................95
■ Stratification par rapport à la géologie...................................................................95
■ Nombre d’exploitants agricoles concernés par les prélèvements..........................95
3 LE SOL : CONSTITUANTS ET ORGANISATION..............96
■ 3.1 Propriétés physico-chimiques des sols............................96
■ Analyses physiques et physico-chimiques.............................................................96
■ Masse volumique apparente au cylindre................................................................97
□ Principe général de la mesure............................................................................................97
□ Protocole de mesure...........................................................................................................97
■ 3.2 Étude pédologique à l'aide de sondages tarière...............97
4 LES PROPRIÉTÉS HYDRAULIQUES.............................99
■ 4.1 Détermination des paramètres de la rétention en eau sur
des échantillons de sol ....................................................99
■ Principe..................................................................................................................99
■ Détermination de la teneur en eau à un potentiel donné avec une presse de
Richard...................................................................................................................99
□ Protocole de mesure...........................................................................................................100
■ 4.2 Détermination des paramètres de la conductivité
hydraulique in situ............................................................100
■ Principe..................................................................................................................100
■ Détermination de la conductivité hydraulique au voisinage de la saturation avec
un infiltromètre à disque........................................................................................100
□ Détermination de la teneur en eau volumique initiale et finale.........................................103
□ Processus intervenant lors d’une mesure d’infiltration......................................................103
□ La solution analytique de Wooding (1968), base théorique de l’infiltrométrie..................104
□ Calcul de S et K par la méthode de White et Sully (1987)..................................................106
□ Calcul de S et K par la méthode de Haverkamp et al. (1994)............................................109
□ Modifications du calcul de S par la méthode de White et Sully (1987)..............................111
□ Temps caractéristiques de l’infiltration..............................................................................113
□ Équation de Haverkamp et al. (1994) pour le régime permanent......................................115
□ Calcul de S et K par ajustement direct sur le régime transitoire et/ou le régime
6
J. Moeys Sommaire
permanent...........................................................................................................................115
□ Comparaison avec les mesures à la parcelle (Millot, 2004)..............................................119
■ 4.3 Fraction d'eau immobile...................................................120
■ Principe..................................................................................................................120
■ Protocole................................................................................................................121
5 PRÉPARATION DES ÉCHANTILLONS DE SOL AVANT
LES MESURES AVEC L’ISOPROTURON........................122
■ 5.1 Tamisage et détermination de la teneur en eau au
prélèvement.....................................................................122
■ 5.2 Détermination de la teneur en eau à pF 2 après
tamisage..........................................................................122
6 ADSORPTION DE L’ISOPROTURON.............................123
■ 6.1 Adsorption linéaire de l'isoproturon sur les sols...............123
■ Principe..................................................................................................................123
■ Protocole................................................................................................................124
■ 6.2 K des horizons de surface et profonds de la parcelle
D
d’étude.............................................................................125
7 DÉGRADATION DE L'ISOPROTURON...........................126
■ 7.1 Suivi de la dégradation et de la minéralisation sur des
incubations au laboratoire................................................126
■ Principe..................................................................................................................126
■ Protocole général...................................................................................................126
■ Cinétique de dégradation et de minéralisation.......................................................131
■ 7.2 Estimation des demi-vies de dégradation et de
minéralisation ..................................................................131
■ Ajustement linéaire................................................................................................132
□ Fixer ou ajuster la concentration initiale...........................................................................132
■ Ajustement direct, non linéaire..............................................................................133
8 MÉTHODES STATISTIQUES UTILISÉES POUR LA
CARACTÉRISATION DE LA VARIABILITÉ SPATIALE DES
PROPRIÉTÉS AGRO-PÉDOLOGIQUES .........................133
■ 8.1 Hiérarchie des propriétés.................................................134
■ 8.2 Statistiques descriptives...................................................135
■ Graphiques ‘box & whisker’..................................................................................135
■ Statistiques de distribution.....................................................................................136
□ Skewness & Kurtosis..........................................................................................................136
□ Test de normalité de Shapiro..............................................................................................137
■ 8.3 Statistiques sur des propriétés non-normales ..................137
■ Cas des populations bi- ou plurimodales...............................................................138
■ Cas des propriétés intrinsèquement non-normales................................................138
■ Tests statistiques non paramétriques......................................................................138
■ 8.4 Corrélations entre propriétés quantitatives.......................139
■ 8.5 Étude des liens entre propriétés qualitatives et propriétés
7
J. Moeys Sommaire
quantitatives par analyse de la variance..........................140
■ 8.6 Étude de la variabilité par Analyse en Composantes
Principales.......................................................................141
■ 8.7 Prédiction des propriétés à l’aide de classes ou de
fonctions de pédotransfert locales ...................................142
■ Classes de pédotransfert locales.............................................................................143
■ Fonctions de pédotransfert locales.........................................................................143
□ Approche par régression multivariée : PLSR.....................................................................144
□ Approche par régression multivariée : GIFI-PLSR............................................................145
Partie IV Résultats.........................................148

1 CONSTITUANTS ET ORGANISATION DES SOLS............149
■ 1.1 Propriétés physiques et physico-chimiques des sols .......149
■ Analyses physiques et physico-chimiques.............................................................149
□ Granulométries fine et grossière........................................................................................149
□ Carbone, azote organique et rapport C sur N....................................................................151
□ Teneur en carbonate de calcium (CaCO ).........................................................................153
3
□ pH 153
■ Masse volumique apparente au cylindre................................................................154
■ 1.2 Description des sondages tarière.....................................154
■ Matériaux parentaux et substrats...........................................................................154
□ Matériaux et successions identifiés....................................................................................154
□ Profondeur d’apparition du substrat..................................................................................156
■ Charges en éléments grossiers...............................................................................157
■ Types de sol identifiés...........................................................................................158
■ Modalité de travail du sol (conventionnel – simplifié)..........................................159
■ Répartition spatiale des sols et de ses propriétés physico-chimiques....................159
■ 1.3 Synthèse, discussion et conclusion intermédiaire............161
2 PROPRIÉTÉS HYDRIQUES DU SOL .............................162
■ 2.1 Rétention en eau .............................................................162
■ Relation potentiel matriciel – teneur en eau..........................................................163
■ Paramètres de la fonction de rétention de Campbell..............................................164
■ 2.2 Conductivité hydraulique..................................................165
■ Estimation de la conductivité au voisinage de la saturation : infiltrométrie
monopotentiel........................................................................................................165
□ Calculs par la méthode de White et Sully (1987)...............................................................165
□ Calculs par la méthode de Haverkamp et al. (1994)..........................................................169
■ Paramètres de la fonction de conductivité hydraulique de Campbell....................182
■ 2.3 Fraction d’eau immobile...................................................183
■ Précision des mesures et respect des hypothèses...................................................183
■ Valeurs de fraction d’eau immobile.......................................................................184
■ 2.4 Synthèse, discussion et conclusion intermédiaire............185
3 COMPORTEMENT DE L'ISOPROTURON DANS LES
SOLS.......................................................................188
■ 3.1 Adsorption de l'isoproturon dans les sols.........................188
■ Coefficient d'adsorption linéaire............................................................................188
8
J. Moeys Sommaire
■ Coefficient d'adsorption normalisé par le carbone organique................................189
■ K des horizons de surface et profonds de la parcelle d’étude..............................189
D
□ Horizons de surface de la parcelle.....................................................................................189
□ Horizons profonds de la parcelle.......................................................................................190
■ 3.2 Dégradation de l’isoproturon............................................191
■ Calcul par régression linéaire................................................................................191
□ Influence de la concentration initiale : calculée ou imposée ?...........................................191
■ Calcul par ajustement direct de la fonction de dégradation...................................194
□ Influence de l'algorithme d'optimisation et de la fonction d'erreur à minimiser pour
l'optimisation......................................................................................................................194
■ Choix d’une des méthodes testées.........................................................................197
□ Analyse a posteriori des fonctions d’erreur.......................................................................197
□ Comparaison visuelle des résultats....................................................................................198
□ Choix d’une méthode..........................................................................................................199
■ Demi-vie de minéralisation de l’isoproturon.........................................................200
■ 3.3 Synthèse, discussion et conclusion intermédiaire............200
4 ÉTUDE STATISTIQUE DE LA VARIABILITÉ SPATIALE ET
DES DÉTERMINISMES AGRO-PÉDOLOGIQUES.............202
■ 4.1 Transformer les propriétés non-normales ? .....................203
■ 4.2 Corrélations entre propriétés caractéristiques du
système pédologique.......................................................203
■ Cohérence du système pédologique.......................................................................203
■ Propriétés liées aux pratiques agronomiques.........................................................205
■ Propriétés de rétention en eau du sol.....................................................................205
□ Corrélations des propriétés entre elles...............................................................................205
□ Corrélations des propriétés avec d’autres propriétés agro-pédologiques.........................206
■ Propriétés hydrodynamiques..................................................................................206
■ Fraction d’eau immobile (pour h = –1 cm)............................................................207
■ Adsorption de l’isoproturon sur les sols : K & K .............................................208
D OC
■ Dégradation et minéralisation de l’isoproturon dans les sols (DT ).....................208
50
■ 4.3 Approche graphique des covariations avec la texture de
surface.............................................................................209
■ 4.4 Importance des propriétés agro-pédologiques
qualitatives : analyses de la variance...............................210
■ Analyses de la variance à un facteur contrôlé........................................................211
□ Seuillage de propriétés quantitatives..................................................................................211
□ Effets des propriétés agronomiques et pédologiques qualitatives sur la masse volumique
apparente et la teneur en matière organique du sol...........................................................211
□ Effets des propriétés agronomiques et pédologiques qualitatives sur les propriétés
hydriques du sol et sur les interactions sol-isoproturon.....................................................214
■ Analyses de la variance à plusieurs facteurs contrôlés..........................................217
■ 4.5 Étude de la variabilité par Analyse en Composantes
Principales.......................................................................219
■ Abréviations des noms de propriétés.....................................................................220
■ Variabilité des propriétés physico-chimiques & de rétention en eau des
échantillons............................................................................................................220
■ Variabilité des propriétés physico-chimiques et de la fraction d’eau immobile....223
■ Variabilité des propriétés physico-chimiques et de la conductivité hydraulique
(K et K )..........................................................................................................224
–1cm S.
□ Conductivité hydraulique à saturation (K ).......................................................................224
S.
9