UTILISATION DE LA SPECTROMETRIE PROCHE ET MOYENNE INFRAROUGE POUR LA PREDICTION CARBONE ORGANIQUE ET DE L’AZOTE DES SOLS

Prélèvement des échantillons

La méthode de prélèvement des échantillons de sol est identique pour les 2 sites d’étude. Des carrés de prélèvement de 10m de côté (Figure 4) ont été délimités pour obtenir au total 191 points de prélèvement. Par ailleurs, le compactage et la présence de rocher dans le sol a limité les points de prélèvement à 95 pour la zone de Changalane et 96 pour Chobela. Sur les quatre coins du carré de 10 m de côté sont prélevés une carotte de sol de 50 cm de profondeur en utilisant un carottier monté sur un marteau piqueur motorisé (Atlas Copco Cobra TT)(Cliché 1).Les points de prélèvements aux quatre coins de chaque carré ont été notés respectivement par les numéros d’échantillon. Sur chaque point, cinq horizons ont été prélevés, à savoir : 0-10cm, 10-20cm, 20-30cm, 30-40cm et 40-50cm. Des échantillons de chaque horizon et de chacun des points de sondage, non mélangés, ont été gardés séparément dans un sachet numéroté.

Travaux de laboratoire

Préparation des échantillons de sol
Une fois au laboratoire, les échantillons ont été émiettés, débarrassés des racines grossières, séchés à l’air libre pendant 3à 4 semaines, broyés au mortier et au pilon, puis passés au tamis à mailles carrées de 2 mm de diamètre et ensuite retamisés à 0,2mm.

Analyse des échantillons de sol
En effet, dans le souci de vouloir amoindrir les coûts relatifs aux analyses chimiques du sol, deux
méthodes ont été couplées pour l’analyse du carbone organique du sol (COS) et d’azote du sol:
– La méthode Walkley &Black pour la détermination du carbone organique ;
– La méthode de Kjeldahl pour le dosage de l’azote total ;
– L’analyse spectrale.
Les valeurs de la concentration du COS issues de ces deux premières méthodes serviront à la prédiction des teneurs du COS et d’azote total des échantillons de sol à travers des régressions linéaires vis à vis de l’ensemble des longueurs d’ondes relevées par la dernière méthode, la spectrométrie en moyen et proche infrarouge. Ces trois méthodes d’analyses de sol ont été effectuées au laboratoire des radioisotopes (LRI) de l’Université d’ Antananarivo.

Analyse chimique des sols de référence

La détermination des stocks de C et d’N des sols nécessite de mesurer d’ abord la densité apparente (DA) du sol et d’analyser les teneurs en C organique et en N total des sols.

Mesure de la densité apparente
La densité apparente du sol est un paramètre indispensable pour calculer le stock de tel ou tel nutriment du sol. La densité apparente du sol, exprimée en g.cm-3, est obtenue par le rapport de la masse volumique sèche de l’échantillon (g) et son volume à l’état humide (cm3).

Equation 1: Formule de la densité apparente du sol
La masse volumique sèche de l’échantillon a été obtenue par soustraction de la masse de l’humidité de l’échantillon sur sa masse fraîche. Le volume de l’échantillon correspond à celui du carottier ou du cylindre utilisé pour le prélever. Pour tous les échantillons, la mesure de la densité apparente a été préalablement effectuée par d’autres chercheurs utilisant les mêmes échantillons.

Dosage du carbone organique
La méthode Walkley & Black est utilisée pour le dosage de la teneur en C organique. Cette méthode consiste à faire une attaque du carbone par une oxydation au bichromate de potassium K2Cr2O7 1N en milieu acide, en utilisant une solution de H2SO4 0,5N. Ensuite, l’excès de bichromate est titré avec le sel de Mohr à l’aide du «Titrateur Crisson ». La fin de la titration est déterminée électriquement par une électrode redox combinée, réglée sur le point final du couple Fe2+/Fe3+ à 770 mV. (cf. Annexe 2) Le mode de calcul pour la teneur en C organique est la suivante :

Dosage d’azote total
Le dosage de l’azote total se fait par des méthodes de minéralisation avec des acides concentrés suivies de dosage de type Kjeldahl. La méthode de Kjeldahl comporte trois étapes : la minéralisation, la distillation et le dosage proprement dit. La minéralisation est la dégradation de la matière organique azotée sous la forme de sel d’ammonium, à l’aide d’un catalyseur (du sulfate de cuivre et du sulfate de potassium) et de l’acide sulfurique (H2SO4) à haute température (421°C). La distillation cherche à transformer l’ammonium, sous sa forme volatile, l’ammoniac, par ajout d’une solution de soude. Le dosage proprement dit consiste à titrer l’ammoniaque par une solution titrée d’HCl ou de H2SO4. On titre la solution jusqu’à équivalence par le virage de l’indicateur coloré, le rouge de méthyle (couleur rose rouge). (cf. Annexe3)

Analyse spectrale des échantillons

Pour tous les échantillons, l’estimation des teneurs en carbone organique et d’azote du sol par spectrométrie proche et moyen infrarouge a été effectuée selon la procédure schématisée en figure. Au sein de cette procédure, les traitements numériques des données spectrales ont fait notamment appel au logiciel Unscramblerv10.3 (CAMO Software SA, Woodbridge, New Jersey, USA).

i. Acquisition des spectres et prétraitement la première étape consiste à l’acquisition des spectres de tous les échantillons de sol (n= 938) des deux sites d’étude (cf. annexe 4 et 5). Les échantillons sont préalablement séchés à l’air et broyés à 0.2 mm avant l’acquisition. Pour effectuer l’analyse spectrale, deux appareils ont été utilisés:
(i) un spectrophotomètre proche infrarouge de type ASD –LabSpec 4 muni d’un logiciel Indico Pro
version 6.0 couvrant le domaine 1100-2500 nm à un pas de 2 nm ; et (ii) un spectrophotomètre moyen infrarouge de type portatif « The Agilent 4100 Exoscan FTIR »de résolution 4 cm-1collectant 64 scans par minute (cf. cliché 3). Particulièrement pour le cas du NIRS, chaque échantillon est exprimé par un spectre constitué de 700 variables de réflectance. Les valeurs de réflectance sont ensuite transformées en absorbance qui est le logarithme de l’inverse de la réflectance (log(1/R). Pour le cas du MIRS, les variables obtenues comptent 1802 pour un spectre d’un échantillon. Une fois que ces spectres sont visuels, les spectres négatifs sont éliminés car ces derniers peuvent augmenter l’erreur de calibration.