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Intitulé du projet et acronyme: Dynamique spatiale du carbone organique de la couche arable avec la télédétection pour les terres cultivées enrichies de déchets organiques urbains au fil du temps - SOCSENSIT

Porteuse: Emmanuelle VAUDOUR (ECOSYS)    

Autres personnes du laboratoire impliquées: Paul-Emile Noirot-Cosson (doctorant) Jean-Marc Gilliot, Benoît Gabrielle, Sabine Houot, Dalila Hadjar 

Partenaires:

• dans BASC: LSCE: Catherine Ottlé, Fabienne Maignan       SADAPT: Christine Aubry
• non académiques: MIA : Liliane Bel       PRODIG: Nicolas Delbart

L’agriculture des espaces sous influence urbaine et ses filières sont au cœur des enjeux territoriaux d’aujourd’hui, particulièrement en région Ile-de-France. Une gestion harmonieuse de l’extension urbaine en adéquation avec l’agriculture nécessite de connaître et améliorer les valeurs environnementale, agronomique et paysagère des espaces cultivés, dont un des critères clés est celui du stock de carbone (SCO) des sols. Les matières organiques du sol contribuent à la fertilité du sol, permettent de contrebalancer les excès d’émissions de gaz à effet de serre ¹, renforcent la stabilité des agrégats du sol ² et contribuent ainsi à réduire l’érosion hydrique. Les sols des espaces agricoles sont susceptibles de servir de puits de stockage du carbone par le recyclage des matières organiques d’origine résiduaire (PRO) provenant de l’agriculture, effluents d’élevage, mais également des collectivités ou des industries ³. Les matières organiques d’origine résiduaire connaissent actuellement un véritable regain d’intérêt agronomique, écologique et économique du fait de leur utilisation possible comme engrais, face à la volatilité des prix doublée de l’empreinte environnementale des engrais minéraux. En France, 330 millions de tonnes de PRO sont recyclés en agriculture, contribuant à améliorer la fertilité des sols et, de plus, susceptibles de contribuer à l’augmentation des stocks de carbone. Les sols cultivés de la Plaine de Versailles et du Plateau des Alluets, une région périurbaine de 221 km2, caractérisée par des systèmes de culture céréaliers et des types de sols variés, représentatifs du bassin parisien, sont au cœur de ces enjeux actuels et/ou potentiels de recyclage dans l’ouest francilien, en faveur du développement durable de ce territoire péri-urbain.

Les travaux développés dans ce contexte montrent qu’il est possible de prédire spatialement les teneurs superficielles en carbone organique du sol (SOC) au moyen d’images multispectrales satellitaires et de mesures spectroscopiques de terrain⁴ tout comme d'estimer la capacité d'une matière organique à augmenter les stock de carbone (SCO) par spectroscopie de laboratoire NIRS ⁵. L'objectif du projet SOCSENSIT est d'évaluer la variabilité spatio-temporelle du carbone organique de la couche arable (COS), des successions de cultures et des paramètres phénologiques dans la plaine agricole de Versailles à l'aide de séries chronologiques de télédétection à haute résolution et mettre au point des outils d'optimisation de l'épandage de la matière organique exogène dans le cadre du climat actuel et futur.

Résultats

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====>  Visionnez la VIDEO PEDAGOGIQUE, un résultats du projet: l'ATELIER DRONE, Gilliot J.M. oct. 2014, Journée QualiAgro

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Le projet SOCSENSIT (2014-2015) a été un précurseur et une amorce du projet SURFAC_SENTINEL_PLEIADES-CO (en abrégé PLEIADES_CO), démarré en juillet 2015 dans le cadre du programme TOSCA du CNES. SOCSENSIT a bénéficié, pour son démarrage, des données recueillies auparavant dans le cadre du projet PROSTOCK du programme GESSOL3, ainsi que des projets Orféo Pléiades Recette Thématique Utilisateurs (2012-2014) et SPOT4-Tk5 soutenus par le CNES.

Le projet SOCSENSIT se proposait d’étudier la contribution de séries temporelles d’images à la prédiction spatio-temporelle des teneurs en carbone organique du sol (SOC) sous l’effet des apports de produits résiduaires organiques (PRO), en couplage avec le modèle CERES-EGC et des scenarii climatiques types. Un 1er volet dédié au traitement d’images de télédétection a permis de réaliser (i) la cartographie des cultures et la discrimination entre cultures à des stades précoces et opérations culturales de printemps au moyen d’images multispectrales Pléiades de très haute résolution spatiale ⁶; (ii) la prédiction régionale des teneurs en carbone organique du sol à partir d’images issues de capteur aéroporté hyperspectral⁷ ; (iii) la prédiction des teneurs en carbone organique du sol (SOC) au niveau intraparcellaire au moyen de capteur multispectral de drone⁸.

L’étude de la série SPOT4 Take Five acquise de février à juin 2013 a été amorcée, ainsi que celle de l’influence des changements d’états de surface du sol (rugosité, humidité) sur la prédiction des teneurs en carbone organique du sol (SOC). Les observations réalisées au printemps 2015 ont contribué à finaliser la mise au point de la méthode photogrammétrique de restitution de la rugosité de surface du sol ⁹.

Le 2e volet du projet (en commun avec BASC-SOLTERR) portait sur les simulations spatio- temporelles à partir des cartes de successions de culture, couplées au modèle CERES-EGC. Les produits résiduaires organiques (PRO) potentiellement disponibles ont été répertoriés¹⁰. Au moyen du dispositif QualiAgro-Allenvi de longue durée (13 ans) inséré dans le territoire d’étude, le modèle CERES-EGC a été paramétré et validé pour simuler les dynamiques longues d’évolution des stocks de C organique dans le sol et la dynamique de N ¹¹. Des incubations de mélanges sols-produits résiduaires organiques (PRO) ont permis de caractériser au laboratoire les cinétiques de minéralisation du panel de 15 produits résiduaires organiques (PRO) répertoriés, puis d’étendre le paramétrage établi à ce panel ainsi qu’aux quatre grands types de sols du territoire (calcosols, luvisols sur calcaire, luvisols sur argile, colluviosols sursables)¹². Un cahier des charges a été établi afin de permettre le couplage des sorties du modèle CERES-EGC avec un système d’informations géographiques : l’unité spatiale de base des simulations CERES-EGC a été l’ilôt de culture du RPG, renseigné par le type de sol dominant et la classe initiale de teneur en SOC dominante. Sur une série climatique type de 20 ans, près d’un millier d’ilôts se rapportant à 7 successions de culture et 112 triplets «type de sol × teneur initiale en carbone organique du sol (SOC) × succession de culture" ont donné lieu à environ 31000 sorties de simulations termes de stockage de carbone, d’économie en engrais de synthèse, de lixiviation de nitrate ¹³.

Les effets de différents scenarii climatiques types sur les évolutions futures des teneurs en carbone organique du sol (SOC) et des stocks de C restent à étudier.

Références:

1. Arrouays et al., 2002   /   2. Annabi et al., 2012    /   3. Houot et al., 2002   /    4. Berthier et al., 2008 ; Vaudour et al., 2013   /      5. Peltre et al., 2012   /    6. Vaudour et al., 2015     /    7. Vaudour et al. , 2016    /     8. Gilliot et al., EGU 2015     /    9. Gilliot et al. , 2017    /   10. Noirot-Cosson, 2016     /     11. Noirot-Cosson et al., 2016     /     12. Noirot-Cosson et al., 2017     /    13. Noirot-Cosson, 2016 ; Noirot-Cosson, en préparation

Poster du projet issu des journées scientifiques BASC 2017:

Publications

Revues internationales 

> Gilliot J.M., Vaudour E., Michelin J. (2017). Soil surface roughness measurement: A new fully automatic photogrammetric approach applied to agricultural bare fields. Computers and Electronics in Agriculture Volume 134, March 2017, Pages 63–78 doi:10.1016/j.compag.2017.01.010 =====>

> Noirot-Cosson P.E., Dhaouadi K., Etievant V., Vaudour E., Houot S. (2017). Parameterisation of the NCSOIL model to simulate C and N short-term mineralisation of exogenous organic matter in different soils. Soil Biology and Biochemistry Vol 104, January 2017, Pages 128–140 doi:10.1016/j.soilbio.2016.10.015

> Noirot-Cosson P.E., Vaudour E., Gilliot J.M., Gabrielle B., Houot S. (2016). Modelling the long-term effect of urban waste compost applications on carbon and nitrogen dynamics in temperate cropland. Soil Biology and Biochemistry. doi:10.1016/j.soilbio.2015.11.014

<==== Vaudour E., Gilliot J.M., Bel L., Lefevre J., Chehdi K. (2016). Regional prediction of soil organic carbon content over temperate croplands using visible near-infrared airborne hyperspectral imagery and synchronous field spectra. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation 49 (2016) 24–38. doi:10.1016/j.jag.2016.01.005 

> Vaudour E., Noirot-Cosson P.E., Membrive O. (2015). Early-season mapping of crops and cultural operations using very high spatial resolution Pléiades images. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, Vol 42: 128–141. doi:10.1016/j.jag.2015.06.003

Revue nationale

> Vaudour, E., Noirot-Cosson, P.E., Membrive, O., 2014. Apport des images satellitaires de très haute résolution spatiale Pléiades à la caractérisation des cultures et des opérations culturales en début de saison. Revue Française de Photogrammétrie et de Télédétection, 208, 97-103.

Thèse

> Noirot-Cosson, P.E., 2016. Optimisation de l’insertion de Produits Résiduaires Organiques dans les systèmes de culture d’un territoire francilien : évolution des stocks de carbone organique du sol et substitution des engrais minéraux. Thèse de doctorat AgroParisTech, soutenue le 14 février 2016, Paris, 270 p. Résumé: "L’utilisation des Produits Résiduaires Organiques (PRO) par l’agriculture peut permettre de substituer une partie des engrais minéraux et augmenter les niveaux de matière organique des sols. Elle peut également générer des pollutions azotées via la lixiviation de nitrate ou des émissions gazeuses. Mieux connaitre le devenir du carbone (C) et de l’azote (N) après applications de PRO sur les sols agricoles contribue à améliorer les bénéfices de cette pratique et à en limiter les impacts environnementaux. (...)"

Vulgarisation 

> Vaudour E., 2016. Cartographie des propriétés des sols agricoles en Plaine de Versailles. Perspectives pour le Plateau de Saclay. Conférence auprès de l’association « Terres Fertiles », Villiers-le-Bâcle, 27/11/2016

> Gilliot J.M., février 2015, interview par Les Echos   ====>

> Gilliot J.M., Vaudour E, Hadjar D, 2014, vidéo pédagogique Atelier Drone, Journée QualiAgro recyclage et impacts des produits résiduaires organiques au champ

> Gilliot et al., 2014. Animation autour du thème «Utilisation des drones et de la télédétection pour suivre les stocks de C dans les sols. Contexte : Plaine de Versailles, Systèmes d’observation et d’expérimentation pour la recherche en environnement - Produits résiduaires organiques (Soere-Pro)». Diaporamas et maquette du paysage de la Plaine de Versailles+fiche de présentation du projet PROSTOCK, stand INRA du Salon International de l’Agriculture, 22/02-02/04/14, Paris.