Fonction de pédotransfert

De Les Mots de l'agronomie.

Auteur : Denis Baize
Pédologue, directeur de recherche à l’Inra (Orléans), en retraite.

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Anglais : pedotransfer function
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Article accepté le 9 mars 2010
Article mis en ligne le 2 novembre 2010

Définition

Dans le domaine de la science du sol, les fonctions de pédotransfert (FPT) sont des outils, basés sur des relations statistiques, qui permettent d'estimer et de prédire des propriétés ou des comportements du sol difficiles à mesurer directement et en de nombreux points (déterminations lourdes et coûteuses), à partir d'autres caractéristiques du sol aisément observables sur le terrain ou déterminées en routine sur échantillons de sols, et de ce fait plus aisément cartographiables.

Le terme de pedotransfer function fut créé par Johan Bouma avec l’idée de « traduire les données dont nous disposons en celles dont nous avons besoin ».

Les FPT ont été le plus souvent établies par régression multilinéaire et correspondent alors à autant de modèles empiriques décrivant de façon continue (FPTC) la relation pouvant exister entre certaines caractéristiques du sol (composition granulométrique, teneur en carbone organique ou en matières organiques, densité apparente) et ses propriétés de rétention en eau. À côté de ces relations statistiques qui sont des fonctions de pédotransfert au sens strict, d'autres types d'outils ont aussi été développés. Il s'agit des ”classes de fonctions de pédotransfert” (CFPT) qui permettent d'estimer les propriétés hydriques après avoir regroupé et classé les sols selon leur composition (Bruand et al., 2003 et 2004 ; Wösten et al., 1999).

Cette notion a été élargie récemment vers celle de "règles de pédotransfert" (pedotransfer rules) dans lesquelles les relations sont moins purement mathématiques et plus définies en termes de "système expert".

À quoi servent-elles ?

Bien que la plupart des FPT aient été développées à l’origine pour estimer des propriétés hydriques des sols (par exemple et uniquement pour la France : Gras 1957 in Jamagne et al., 1977 ; Osty, 1971, Trouche et Morlon, 1999 ; Bastet et al., 1998 ; Bigorre, 2000 ; Al Majou et al., 2007), elles ne servent pas qu’à cela. Des FPT ont récemment été établies pour estimer des propriétés physiques, mécaniques, chimiques et biologiques. Quelques exemples :

  • Estimer les propriétés d'adsorption d'horizons profonds vis-à-vis des produits phytosanitaires à partir des paramètres de constitution.
  • Estimer la composition en cadmium des grains de blé tendre à partir de données analytiques des horizons de surface des sols (Baize et Tomassone, 2005, Baize et al., 2009). En l’occurrence, il s’agit d’estimer la composition d’un organe végétal, mais le principe reste le même.
  • Relier les caractéristiques constitutives des sols (texture, teneur en carbonates, teneur en carbone organique) à la stabilité structurale (programme MOST "Prévision de l’évolution de la stabilité de la structure sous l’effet de la gestion organique des sols" – Chenu et al. 2008).
  • Relier la qualité des matières organiques du sol (polysaccharides, substances humiques, lipides, biomasse microbienne, biomasse fongique) à la stabilité de la structure (programme MOST – Chenu et al., 2008).

Historique

Ce sont Bouma et van Lanen (1987) qui ont introduit pour la première fois le terme de ”fonction de transfert” (transfer function) comme correspondant à une expression mathématique reliant des caractéristiques du sol (composition granulométrique, densité apparente, taux de carbone organique, etc.) à une propriété ou à un comportement (rétention en eau, conductivité hydraulique, etc.). Le terme de ”fonction de pédotransfert” qui souligne le fait qu’il s’agit d’une fonction de transfert de l’information appliquée au sol, n’est apparu qu’un peu plus tard (Bouma, 1989) et s’est généralisée suite au colloque organisé en 1989 à Riverside (Van Genuchten et Leij, 1992).

Bien avant l’introduction de ces deux termes, de nombreuses études ont cherché à établir des FPT. La première FPT pourrait bien correspondre à une étude menée par Briggs et McLane en 1907. Ces auteurs déterminèrent le “wilting coefficient” en fonction de la taille des particules : Wilting coefficient = 0,01 sables + 0,12 limons + 0,57 argile

Après l’introduction des concepts de capacité au champ et de point de flétrissement permanent par Veihmeyer et Hendrickson (1927), les chercheurs essayèrent de corréler la composition granulométrique, la densité apparente et la teneur en matières organiques avec l’humidité à la capacité au champ, celle au point de flétrissement permanent et la réserve en eau utile.

En 1981, les allemands Lamp et Kneib introduisirent le terme “pedofunction”, puis Bouma et van Lanen (1987) utilisèrent le terme ”transfer function”. Afin d’éviter la confusion avec la formule ”transfer function” employée en physique du sol et dans beaucoup d’autres disciplines, Bouma (1989) les appela plus tard ”pedotransfer function”.

Commentaires critiques

Attention de ne pas faire de contresens : il s’agit bien d’un ”transfert” de l’information mais pas d’un ”transfert” de matières ! C’est une des raisons pour laquelle Bouma a transformé le terme initial ”transfer function” en ”pedotransfer function”.

On obtient des relations prédictives linéaires de bien meilleure qualité quand on opère sur des horizons d'une même série de sol (c’est-à-dire présentant un même matériau parental, une même "histoire" pédogénétique, et les mêmes constituants) que quand on traite des populations d'échantillons de toutes natures et origines (matériaux parentaux, types de sols, types d'horizons). Un excellent exemple est fourni par les premiers travaux de Bruand (Bruand et al., 1988 ; Bruand, 1990) menés sur des horizons argileux de moyenne profondeur (échantillons non séchés, non perturbés) pour prédire l’humidité à pF 2,5 à partir de la teneur en argile. Cela souligne, une fois de plus, l’intérêt d’une stratification par ”série de sols”:

Ces fonctions empiriques ne devraient être utilisées que pour les types de sols sur lesquels elles ont été établies et ne devraient pas être exportées telles quelles dans d’autres contextes géopédologiques sans vérification de leur validité par des mesures directes. Ainsi les coefficients numériques de la célèbre "formule de Gras" (1957) ont été établis pour une étude des sols alluviaux du Val de Loire. Ils ont pourtant été largement utilisés à travers toute la France.

Arrouays et Jamagne (1993), suite à une étude dans un contexte de sols limoneux lessivés hydromorphes du sud-ouest de la France arrivent à la conclusion que "toute application d’une équation à un milieu différent de celui de son obtention présente un risque de biais considérable". De même, dans sa thèse, Bigorre (2000) affirme que "Dès lors que des unités de sols ont été définies et caractérisées au plan de leurs propriétés, et sous réserve que les sols appartiennent à un contexte similaire, des fonctions de pédotransfert simplifiées peuvent être définies". Il ne peut y avoir de relations universelles, tant les horizons de sols sont variés.

Pour obtenir des prédictions plus précises on peut essayer d’être plus exigeant quant au nombre et à la pertinence des caractéristiques du sol à prendre en compte. Mais alors les déterminations nécessaires deviennent plus difficiles à obtenir et plus coûteuses.

Initialement conçues pour remplacer par le calcul des données manquantes dans une base de données, les fonctions de pédotransfert sont de plus en plus à la mode, probablement à cause de leur aspect mathématique. Il est vrai qu’elles sont bien pratiques, mais y recourir systématiquement et se satisfaire d’estimations de qualité souvent médiocre est une preuve de paresse et n’incite pas à progresser dans la caractérisation analytique des sols, donc dans leur meilleure connaissance. On risque ainsi de continuer à mesurer uniquement et éternellement la teneur en carbone organique, le taux d’argile, le pH et la capacité d’échange cationique alors que les moyens techniques de détermination directe de nombreuses propriétés d’intérêt s’améliorent d’année en année !

Références citées

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  • Arrouays D., Jamagne M., 1993. Sur la possibilité d'estimer les propriétés de rétention en eau de sols limoneux lessivés hydromorphes du Sud-Ouest de la France à partir de leurs caractéristiques de constitution. C. R. Acad. Agric. Fr., 79, 1 : 111-121.
  • Baize D., Tomassone R, 2005. Prédiction de la teneur en cadmium du grain de blé tendre à partir de mesures sur échantillons de sols. Journées techniques "Transfert des polluants des sols vers les végétaux cultivés et les animaux d'élevage – Outils pour l'évaluation des risques sanitaires". ADEME Paris, 1er février 2005 : 5-14.
  • Baize D., Bellanger L., Tomassone R., 2009. Relationships between concentrations of trace metals in wheat grains and soil. Agronomy for Sustainable Development, 29 : 297–312.
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