Conclusion : choix d'une démarche pour cartographier les risques de tassement des

Nous souhaitons évaluer les risques de tassement à partir de la fréquence d'occurrence des états du sol

déterminant l'intensité de tassement critique. L'analyse bibliographique réalisée précédemment montre

que les cartes de risques de tassement tiennent généralement compte :

- de certaines propriétés physiques des sols : texture, structure et teneur en eau au moment

des passages d'engins,

- de la contrainte qui s'applique à la surface du sol dépendante des équipements utilisés.

La teneur en eau des sols dépend des conditions climatiques, du prélèvement en eau par les racines du

couvert végétal, des propriétés de surface des sols (rugosité et albédo) et des propriétés

hydrodynamiques des sols. Si nous voulons estimer l'occurrence d'états des sols considérés comme

critiques pour le tassement, il est indispensable de connaître la teneur en eau des sols au cours du

temps. La seule manière d'y accéder pour la totalité des sols français est de la calculer à l'aide d'un

modèle hydrique. Les modèles mécaniques existant ne prennent pas en compte les variations de la

teneur en eau du sol au cours du temps. Nous devons donc coupler un modèle mécanique à un modèle

hydrique. Plusieurs couplages de modèle mécaniques et hydriques ont déjà été réalisés mais leurs

résultats n'ont jamais été spatialisés. Nous analysons, dans ce cadre, successivement les travaux

d'Arvidsson et al. (2003) basé sur la pression de pré-consolidation, Pulley et al. (2007) basé sur la

résistance à la pénétration et Rotz et al. (2008) basé sur les impacts économiques et

environnementaux.

Arvidsson et al. (2003) estiment le risque de tassement en profondeur (> 30 cm) engendré par une

arracheuse à betteraves de 20 t, ce qui correspond à une contrainte moyenne en surface de 220 kPa. De

la même manière que van den Akker (2004), ils calculent la propagation de la contrainte dans les sols

à l'aide du modèle de tassement SOCOMO (van den Akker, 2004). Lorsque celle-ci excède la pression

de pré-consolidation du sol, ils considèrent qu'il y a tassement. Ils ont déterminé la variation de la

pression de pré-consolidation en fonction de l'état hydrique du sol. Pour calculer l'évolution du

potentiel matriciel de l'eau du sol, ils utilisent le modèle hydrique SOIL (Jansson, 1991) et

connaissent, ainsi, les variations du paramètre Pc en fonction de la teneur en eau des sols. Le risque de

tassement correspond au nombre de jours présentant une contrainte appliquée dans le sol supérieure à

la pression de pré-consolidation, et cela pendant 25 ans.

Avec une démarche similaire, Pulley et al. (2007) prédisent la variation de la résistance à la

pénétration des sols en fonction de leur teneur en eau. Pour cela, ils utilisent un modèle stochastique

de prévisions météorologiques couplé à un modèle hydrique à réservoir pour estimer la teneur en eau

du sol. Concernant la déformation du sol, ils établissent une loi normale logarithmique de la masse

volumique en fonction de la texture et de ses propriétés hydrodynamiques (trois points de teneur en

eau : à saturation, à la capacité au champ et au point de flétrissement). Les classes de pédotransfert de

Rawls et al. (1989) sont utilisées pour estimer ces dernières. L'occurrence des précipitations est

modélisée à l'aide d'une chaîne de Markov (distributions prédéfinis basées sur des observations) qui

décrit deux classes de précipitations : humides ou sèche. Ils estiment la masse volumique des sols à

l'aide d'une distribution (densité de probabilité) selon une loi log-normale pour les douze classes de

texture de la classification de l'USDA (USDA-NRCS, 2007b). Au final, ils établissent une fonction qui

estime la résistance à la pénétration en fonction de la texture des sols, de leur masse volumique et de

leur teneur en eau. Ce modèle est essentiellement destiné à l'aide à la décision des agriculteurs

concernant les dates de passage d'engins les plus appropriées pour ne pas dégrader la structure du sol

(résistance mécanique supérieure à une valeur limite).

Rotz et al. (2008) prédisent les jours favorables au travail du sol avec le modèle IFSM (Integrated

Farm System Model) en fonction des coûts de production et de l'impact environnemental du travail du

sol. Ils ont étudié (1) les coûts annuels (fixes et variables) d'une exploitation en termes de carburant,

prix des produits phytosanitaires, temps de passage des engins, etc., (2) les bénéfices nets liés au prix

et au rendement des récoltes, pour définir les jours disponibles en fonction d'un certain niveau de

performance agricole. Par exemple, concernant le semis, les jours disponibles sont ceux durant

fonction de la texture (le sol est décrit par quatre classes de texture), de la profondeur (le seuil est plus

élevé dans l'horizon 75-150 cm car les déformations du sol y sont moins importantes), des

caractéristiques de l'engin et des pneumatiques. La teneur en eau des sols est simulée à l'aide d'un

modèle hydrique à réservoir qui utilise des propriétés hydrodynamiques prédéfinies pour quatre types

de sol et qui prend en compte le prélèvement en eau de cinq types de plantes (luzerne, herbacées

vivaces, maïs, céréales à petits grains, soja), couplé à un modèle de simulation climatique. Concernant

la récolte du maïs, le premier critère est le rendement : si le rendement estimé n'excède pas 400 kg m^-²

alors l'intervention est retardée. Le deuxième critère est la teneur en substance nutritive de la récolte :

si elle est immature, le modèle retarde la date de récolte de 10 jours maximum. Le dernier critère est le

climat : si plus de 2 mm de pluie sont prévus pour le jour de passage de l'engin alors l'intervention est

retardée. Parallèlement, le modèle calcule également les conséquences environnementales d'un

passage d'engin sur le sol en estimant la perte en azote et en phosphore (ruissellement et lessivage), et

les émissions de gaz à effet de serre (CO₂, N₂O et CH₄). Si le modèle de Rotz et al. (2008) semble

complet, il ne possède pas encore de module de calcul des déformations du sol. Il aborde, cependant,

la notion de risque par l'intermédiaire du climat. Pour chaque système de production, les impacts

économiques et environnementaux sont calculés sur 25 années climatiques passées. La fréquence

d'apparition d'un certain niveau de performance économique et environnemental est le résultat fourni

aux agriculteurs. Plus la distribution des niveaux de performance économique et environnementale est

contrastée, plus le risque est élevé. Le modèle IFSM, publié récemment, est basé sur une approche

intéressante pour généraliser les travaux réalisés dans le cadre du projet DST.

L'étude du risque fait intervenir la notion de fréquence d'apparition d'un danger. Il est donc primordial

d'analyser la sensibilité des sols au tassement sur le long terme. Un seul modèle décrit précédemment

présente à la fois une analyse du risque sur le long terme et une analyse associée de la déformation des

sols, celui d'Arvidsson et al. (2003) car il tient compte des variations climatiques sur 25 années et de la

fréquence d'apparition d'un excès en eau du sol. Il calcule la fréquence d'apparition des jours où la

contrainte appliquée au sol est supérieure à la pression de pré-consolidation. Ainsi il est capable de

quantifier un pourcentage de risque sur 25 années testées. Nous nous inspirons de l'étude d'Arvidsson

et al. (2003) pour réaliser la carte des risques de tassement superficiel (0 à 30 cm de profondeur) des

sols français en fonction des scénarios climatiques actuels et futurs. Arvidsson et al. (2003) utilisent la

pression de pré-consolidation pour quantifier l'occurrence du tassement : ils quantifient le pourcentage

d'années où σ_z > P_c. Or, il est difficile d'utiliser la pression de pré-consolidation en surface car elle y

est relativement faible. En effet, le travail du sol a pour conséquence la réduction de la pression de

pré-consolidation. Nous choisissons plutôt de calculer la fréquence d'apparition du tassement avec un

indice des vides structuraux de 0,15. Pour ce faire, nous quantifions le pourcentage d'années où la

teneur en eau d'un sol, lors du passage d'un engin, engendre un état structural critique du sol. Ce travail

passage d'engin, et ce, à partir d'un scénario climatique assimilable au climat actuel et de deux

scénarios assimilables aux éventuels climats futurs. Les différentes étapes sont de :

1. estimer la teneur en eau critique qui engendre le tassement des sols,

2. simuler la teneur en eau des sols sur un grand nombre d'années climatiques et calculer le

nombre de jours où la teneur en eau du sol excède la teneur en eau critique (sur une période

choisie en fonction du calendrier des interventions culturales),

3. représenter spatialement les risques de tassement des sols en France.

Pour cela, nous allons combiner des modèles hydrique et mécanique dont nous présentons la structure

et les modalités de paramétrage dans la partie suivante.

Partie II.

Modèles utilisés, bases de données et