Simplification du protocole : comparaison DAcylindres/Dacarotte

LE CYCLE DU CARBONE

Le carbone sur terre se répartit en quatre grands réservoirs : la lithosphère, l’atmosphère, l’hydrosphère et la biosphère (CNRS, 2016) (JACQUES G., 2008). La lithosphère représente le plus gros réservoir de carbone de la planète avec 80 millions de gigatonnes (Gt) de carbone, dans les roches calcaires principalement, sous forme de CaCO3. Vient ensuite l’hydrosphère, avec 39 000 Gt de carbone sous forme de HCO3- et CO32- (JACQUES G., 2008). Puis l’atmosphère, avec 770 Gt de CO2, ce qui ne représente que 0,035% de la masse totale de l’atmosphère. Enfin arrive la biosphère, dont les composants principaux sont les protides, les lipides et les glucides, tous formés en majorité de carbone. Ce réservoir est estimé à 600 Gt. Les sols ainsi que les détritus issus de l’activité des êtres vivants représentent quant à eux 2 600 Gt de carbone (CNRS, 2016). Il existe des flux de carbone entre ces différents réservoirs : des flux biologiques, tels la transformation du carbone minéral en carbone organique par les plantes, et des flux physico-chimiques, tels la dissolution du Co2 de l’atmosphère dans l’océan qui réagit avec le calcium pour former du CaCo3. Ce dernier précipite et se dépose au fond des océans. Depuis le début de l’ère industrielle, la quantité de carbone atmosphérique ne cesse d’augmenter. Elle est passée de 280 ppmv en 1750 à 381 ppmv en 2006 et cette tendance s’accélère, entraînant un réchauffement climatique mondial (JUSSIEU, s.d.).

Si la quantité de carbone augmente actuellement dans l’atmosphère, c’est principalement pour deux raisons. Premièrement, la quantité de carbone dans les autres réservoirs diminue : les composés fossiles libèrent du carbone par leur combustion, le compartiment biotique à travers la déforestation et les feux de forêt, le sol sous l’effet de la mise en culture et d’autres activités anthropiques. Deuxièmement, il y a une réduction de l’efficacité des puits naturels du carbone. En effet, entre 2000 et 2006, 45% du CO2 émis par l’homme restait dans l’atmosphère, 30% était absorbé par la végétation terrestre et 24% par les océans. Cependant, ces capacités d’absorption diminuent : en 2000, pour une tonne de CO2 émise, 600 kg étaient absorbés ; en 2006, pour une tonne de CO2 émise, seulement 550 kg sont absorbés. Et cette quantité semble encore diminuer (JUSSIEU, s.d.). Il est donc plus que nécessaire de comprendre comment fonctionnent ces puits, afin de pouvoir les utiliser au mieux et contrer les effets du réchauffement climatique. Mieux contrôler les puits de carbone que sont les sols est notamment l’objectif de l’initiative « 4pour1000 », lancée en 2014 par la COP21. Il suffirait de séquestrer 0,4% de carbone par an dans les sols pour contrer l’effet de serre et le réchauffement climatique (Ministère de l’Agriculture, 2014).

LE STOCKAGE DU CARBONE DANS LES SOLS

Le sol est un réservoir de carbone inorganique de 700 à 750 Gt de CO32- provenant principalement des carbonates lithogéniques (SPARKS, 2003). A cela s’ajoute le carbone organique de l’ordre de 2 4000 Gt, sur 2m de profondeur. C’est 3 fois la réserve de carbone atmosphérique et plus de 4 fois la réserve biotique. Le sol est donc le plus gros réservoir de carbone organique sur terre (BANWART, Noellemeyer, & Milne, 2015). Les animaux et les végétaux sont les vecteurs qui permettent le transfert du carbone atmosphérique vers le sol. Mais c’est par la photosynthèse que le carbone entre dans les écosystèmes (JACQUES G., 2008). Cette photosynthèse permet à la plante de créer de la matière organique à partir du CO2 atmosphérique. Lorsque les animaux et les végétaux meurent, cette biomasse fournit de la matière organique au sol. Sous l’action des décomposeurs, le carbone organique se minéralise et retourne dans l’atmosphère sous forme de CO2 et de CH4. Ainsi, le stockage du carbone dans un sol dépend des entrées (les pertes par mortalité et les déjections animales) et des sorties (respiration des micro-organismes, perte de carbone organique dissout dans l’eau de drainage, perte de carbone particulaire et production de CH4). Si les entrées sont supérieures aux sorties, alors le sol joue le rôle de puits en stockant du carbone. Dans le cas contraire il s’agit d’une source, c’est-à-dire que le sol émet du carbone.

TRAITEMENT DES DONNEES SPECTRALES

Afin d’analyser les spectres, trois tables Excel ont été réalisées. Une première contenant les spectres MIR ATR TERRAIN/ LABO, une deuxième présentant les spectres MIR DRIFT Terrain/Labo de 2016/2017 et pour finir, une table PIR Terrain/Labo de 2016 et 2017. A ces tables ont été ajoutées des variables quantitatives (teneur en carbone, teneur en eau, SCO et DA) et des variables qualitatives (types de sols, méthode IR, année d’acquisition, type de culture). Avant tout traitement, les spectres aberrants, souvent dus à une mauvaise mesure de l’appareil, ont été retirés des tables et les 5 répétitions de spectre d’un échantillon ont été moyennées, afin qu’à un échantillon ne corresponde qu’un spectre. Les parties du spectre perturbées par l’appareil de mesure et n’apportant pas d’information ont été supprimées.

Cela concerne les longueurs d’ondes inférieures à 1020 nm pour le PIR et les nombres d’ondes supérieures à 715 cm-1 pour le MIR DRIFT. Le MIR ATR n’a pas eu besoin d’être modifié. La dernière étape est le traitement des spectres grâce au logiciel The Unscrambler, l’objectif étant de trouver la ou les combinaison(s) de traitements optimisant au mieux les modèles de prédictions. En effet, il est nécessaire de supprimer les déformations des spectres apparues lors de l’acquisition en appliquant des prétraitements. Ces déformations peuvent être de type multiplicatif (plus l’intensité d’absorption est grande, plus la dispersion des spectres est grande), additif (l’effet ne dépend pas de l’intensité d’absorption, il est aussi fort dans les zones faibles que fortes) ou une combinaison des deux (BOULET J.C., 2016). En MIR DRIFT et en PIR, les effets sont surtout additifs (Fig.16 et Fig.18) et les prétraitements possibles sont le lissage (diminution du bruit), la baseline (diminution de la ligne de base), le SNV (centré-normé) et la 2ème dérivée. En ATR, les déformations sont de type multiplicatif (Fig. 17). Les traitements à tester sont principalement la SNV, avec du lissage (mise en évidence de

CHOIX DES GROUPES D’ECHANTILLONS A TRAITER

L’un des objectifs du projet est de déterminer quelle est la méthode la plus fiable, que ce soit pour le PIR ou le MIR. C’est pourquoi les échantillons Terrain et Laboratoire ont été traités séparément. De plus, l’Analyse en Composante Principale (ACP) des spectres sépare clairement ces deux groupes dans les différents cas (Annexe 3). Cependant, les spectres MIR DRIFT Terrain étant très peu nombreux (9), les modèles ont été réalisés uniquement sur les spectres MIR DRIFT Laboratoire. Concernant le MIR ATR, cette fois ce sont les spectres Laboratoire, trop peu nombreux (une quinzaine) du fait d’un problème technique, qui n’ont pas été traités. Sur les spectres MIR DRIFT Laboratoire, l’ACP (Fig.20) met en évidence l’homogénéité entre les mesures de 2016 et celles de 2017, ce qui a permis de les traiter ensemble et d’avoir un échantillonnage plus important. A propos du MIR ATR, aucune mesure n’a été réalisée en 2016.

En ce qui concerne le PIR, l’ACP met en évidence une nette différence entre 2016 et 2017 (Fig.21 et 22). Cependant, cette différenciation n’est pas due à un changement d’acquisition des spectres entre les deux années, mais plutôt à une différence de type d’occupation des sols (Fig.22). Les sites d’étude de 2016 se concentraient sur les sols sous canne à sucre et sous prairies (ROSIES B., 2016), alors que les sites de 2017 couvraient le maraîchage et la culture d’ananas. Le but était de comparer le stockage du carbone en fonction de l’occupation du sol, en partant de l’hypothèse que la canne à sucre et les prairies stockent plus de carbone que le maraîchage et la culture d’ananas (RAMOS M., 2017). Ici, l’ACP met en évidence la différence de comportement des sols sous prairies et canne à sucre par rapport à ceux sous maraîchage et ananas. De ce fait, les spectres 2016 et 2017 ont quand même été traités conjointement.

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Table des matières

Remerciements
Table des figures
Table des tableaux
Introduction
I.Etat de l’art
I.1 Contexte pédoclimatique
I.1.1 Le volcanisme : déterminant de la géologie et de la topographie
I.1.2 Un climat très contrasté
I.1.3 La pédologie, reflet du climat et de la géologie
I.1.4 Bilan : Climatoséquence des sols de la Réunion
I.2 Dynamique du stockage du carbone dans les sols
I.2.1 Le cycle du carbone
I.2.2 Le stockage du carbone dans les sols
I.2.3 Variations du stockage du carbone dans les sols agricoles tropicaux
I.2.3.1 Facteur abiotiques
I.2.3.2 Facteur anthropique
II.Matériels et Méthodes
II.1 La spectroscopie IR, une méthode innovante d’analyse des composés des sols
II.1.1 Découverte de la spectroscopie IR
II.1.2 Principe de la specroscopie ir
II.1.3 La spectroscopie MIR, une nouvelle méthode plus précise que le PIR ?
II.2 Mise en place du protocole experminental
II.2.1 Démarche de calcul des stocks de carbone
II.2.2 Choix des sites de prélèvements
II.2.3 Protocole
II.2.3.1 Détermination de la DA
II.2.3.1.1 Méthode conventionnelle, les cylindres
II.2.3.1.2 nouvelle methode, la carotte
II.2.3.2 Acquisition des spectres
II.2.3.3 Analyse chimique : teneur en carbone, azote et matière sèche
II.2.3.4 Bilan : trois protocoles en un, afin de tester l’efficacité de la méthode MIR in situ
II.2.4 Traitement des données spectrales
III. Analyse des résultats
III.1 Simplification du protocole : comparaison DAcylindres/Dacarotte
III.2 Résultats préliminaires
III.2.1 Choix des groupes d’échantillons à traiter
III.2.2 Mise en évidence de l’importance des prétraitements pour l’analyse des spectres et la construction des modèles
III.2.3 Paramètres de fiabilité d’un modèle
III.3 Comparaison de la fiabilité des modèles MIR et PIR
III.3.1 La nouvelle methode MIR
III.3.1.1 Le laboratoire (spectres DRIFT)
III.3.1.2 Le terrain (spectres ATR)
III.3.2 Le PIR
III.3.2.1 Le laboratoire
III.3.2.2 Le terrain
III.3.3 comparaison PIR/mir, LABO/TERRAIN
III.3.4 Comparaison des prédictions des stocks en carbone organique
IV.Précisions que les résultats Discussion
IV.1 Résultats préliminaires
IV.1.1 Le MIR
IV.1.2 Le PIR
IV.2 La Teneur en eau
IV.3 La densité apparente
IV.4 Prédiction de la Teneur en carbone organique
IV.5 La prédiction des stocks en carbone organique
IV.5.1 En PIR
IV.5.2 En MIR
IV.6 Est-il préférable de prédire les SCO ou de prédire les paramètres servant au calcul des SCO ?
Conclusion
Références
Annexes
Annexe 1 : Déroulement du protocole expérimental jour après jour
Annexe 2 : calcul de la DA et des SCO
Annexe 3 : ACP TERRAIN/LABO MIR et PIR