3.5 Spatialisation biophysique
3.5.2 Les données disponibles et estimées
Ce travail a nécessité l’utilisation de bases de données spécialisées et géoréférencées ou non, issues d’instituts et de laboratoires français et européen. Deux types de données sont nécessaires d’après la figure 3.9) :
• des données primaires pour simuler les processus hydriques, thermiques et microbiologiques
dans CERES-EGC, ainsi que les émissions. Ces données concernent les conditions pé-dologiques, la météorologie et les pratiques culturales (voir les schémas 3.8 et 3.9).
• des données structurantes pour spatialiser les émissions sur la région Ile de France selon
les contraintes de CHIMERE : cela concerne les limites administratives et l’occupation des sols.
Ces données sont disponibles pour des échelles de temps variées, d’un pas de temps horaire (variables météorologiques) à annuel (pratiques culturales), ou elles sont permanentes (types de sol). Les données sont projetées sur des maillages réguliers (variables météorologiques) ou des données vectorielles (types de sol, pratiques culturales).
(i) Données structurantes :
Types de sols : L’Unité InfoSol/INRA fournit une base de données DONESOL d’une centaine
de types de sol, qui a une échelle au 1/250 000 et qui est basée sur le Référentiel Pédologique Français (RPF95) (Baize and Girard, 1995). D’après la figure 3.11, la base est organisée en Unités Cartographiques de Sol (UCS)7, qui sont constituées de plusieurs types de sol, appelés des Unités Typologiques de Sol (UTS). Les UTS sont caractérisées à partir de mesures ponctuelles (profils de sol). La base fournit les limites des plages cartographiques (UCS, UTS) qui sont numérotées et localisées via les coordonnées du centroïde de chaque plage.
7Les UCS sont appelés également des pédopaysages, il s’agit d’un ensemble litho-géomorpho-pédologique co-hérent. Ils sont une combinaison des éléments du paysage (topographie, roche mère, occupation des sols, eaux de surface)et des caractéristiques des sols (profils et horizons pédologiques, types de sol). Ce regroupement de sols s’organise au sein d’un même ensemble pédopaysage homogène de manière hiérarchisée ou organisée.
3.5. SPATIALISATION BIOPHYSIQUE 59
FIG. 3.11 : Mise en oeuvre pour la construction de l’inventaire des sols (source : InfoSol/INRA).
Occupation des sols : L’Institut Français de l’Environnement (IFEN), diffuseur des
don-nées en France, et l’Agence Européenne pour l’Environnement, responsable du programme, fournissent la base de données d’occupation des sols Corine Land Cover 2000 (CLC200) avec une résolution de 100m et au format vectoriel (UE-Ifen CLC, 2000). Cette base repose sur une nomenclature standard hiérarchisée à 3 niveaux et 44 postes répartis selon 5 grands types d’occu-pation du territoire (territoires artificialisées, territoires agricoles, forêts et milieux semi-naturels, zones humides et surfaces en eau). Une cartographie des principales classes d’occupation de l’Ile de France est disponible dans le chapitre 5.
Données administratives : L’Institut Géographique National (IGN) délivre une base géoréférencée
des communes de la France. A partir des numéros cantonaux, nous avons reconstitué une base géoréférencée des cantons, des départements et de la région afin de pouvoir projeter les informa-tions disponibles à ces échelles, comme les statistiques agricoles.
Maillage régulier : Cet outil d’ESRI en "Open source" a permis de reconstituer le domaine
francilien de CHIMERE (IDF180), c’est-à-dire une grille de 30 mailles× 30 mailles autour de
Paris.
(ii) Données primaires :
Statistiques agricoles : Les données statistiques sont disponibles d’une échelle communale
à régionale par le Service Central des Enquêtes et des Études Statistiques (Agreste) du Min-istère de l’Agriculture, dans le Recensement Agricole Général (Agreste/SCEES, 2000) et dans une enquête régionale des pratiques culturales (Agreste/SCEES, 2001). Les informations agri-coles disponibles et utilisées sont les surfaces des cultures à l’échelle cantonale, et les pratiques culturales (semis, dates de fertilisation, quantités moyennes des fertilisants appliquées, types de fertilisants) à l’échelle régionale. Les statistiques agricoles ont montré que les surfaces culturales et forestières couvrent respectivement 55% et 23% de la région Ile de France (12 072 km2), et que 6 cultures (blé, maîs, orge, colza, betterave et pois) et les sols en jachère occupent 91% de la surface agricole utile (ou SAU) de l’Ile de France en 2000.
Météorologie : Le modèle CERES-EGC a besoin comme variables météorologiques, des
valeurs journalières des températures de l’air maximale et minimale à 2m, des précipitations convectives et à large échelle8, du rayonnement global et des variables météorologiques néces-saires pour calculer l’évapotranspiration selon la relation de Penman (1948), basée sur l’expres-sion d’un bilan d’énergie à la surface du sol. L’équation de Penman (1948) s’écrit de la façon suivante :
LE = 1
∆ + γ(∆RN + hu(ed− ea)) (3.13)
oùE est le flux d’évaporation (kg m−2 d−1), L la chaleur latente de vaporisation (L = 2500 kJ kg−1),∆ est la pente de pression de vapeur saturante (Pa◦C−1),γ est la constante psychométrique
(γ = 66 Pa◦C−1),RN le rayonnement net (J m−2 d−1),hu le coefficient de transfert de chaleur (J m−2 d−1 ◦C−1), ed la pression de vapeur à saturation (Pa) selon la température de l’air etea, la pression de vapeur (Pa).hu" dépend de la turbulence atmosphérique et peut être définie comme une fonction déterminée empiriquement, dépendante de la vitesse du vent à 10 m de hauteur et de 2 constantes (Penman, 1948).
Nous avons utilisé les composantes zonale et méridionale du vent à 10m pour estimer la vitesse moyenne du vent, l’humidité relative de l’air, la température de l’air à 2 m, ainsi que les variables nécessaires pour calculer le rayonnement net : les rayonnements à courte et à grande longueur d’onde et la température du sol.
Le modèle méso-échelle NCAR MM5 (Dudhia, 1993) a été utilisé par Gabriele Curci (post-doc au LISA) pour calculer ces données à un pas de temps horaire selon une procédure "two nesting" qui permet un zoom sur la région Ile de France (résolution 5 km) depuis une échelle continen-tale. Ensuite, de mon côté, j’ai manipulé ces données brutes. les préprocesseurs de CHIMERE permettent d’interpoler ces données brutes sur le maillage régulier de la version francilienne de CHIMERE "IDF180" (résolution de 6 km). Pour être utilisés dans CERES-EGC, les données doivent être basées sur un pas de temps journalier, aussi les données issues de l’interpolation ont été converties en valeurs journalières (minimum, moyenne ou maximum). L’évapotranspiration a été calculée à partir des valeurs journalières des grandeurs nécessaires pour l’équation de Pen-man (Eq. 3.13).
Informations pédologiques : Les paramètres pédologiques nécessaires à CERES-EGC sont
soit directement disponibles, soit calculés à partir de variables simples, à l’aide de relations de pédo-transfert ou estimés par expertise. Les éléments disponibles dans la base DONESOL (ci-dessus) sont le nom du sol, la roche mère, le nom de l’horizon, la profondeur inférieure, l’é-paisseur, la granulométrie (% sable, % limon, % argile), la texture, les éléments grossiers (sols caillouteux) et la densité apparente. Ces informations nous ont permis d’établir un deuxième jeu de données (non directement disponible) pour décrire les principaux sols d’Ile de France (étape décrite dans le paragraphe suivant), il s’agit des caractéristiques hydriques (point de flétrissement
Hpf, capacité au champHcc, saturation en eauHsat) pour les différents horizons du sol, ainsi que le taux de carbone total, la teneur en CaCO3 et le pH pour l’horizon de surface. Pour cela, nous 8Les précipitations convectives représentent les précipitations issues des cumulo-nimbus, alors que les précipi-tations à large échelle englobent les précipiprécipi-tations issues des systèmes précipitants advectifs à l’échelle synoptique.
3.5. SPATIALISATION BIOPHYSIQUE 61
nous sommes appuyés sur des travaux existants issus de la littérature, sur des relations de pédo-transfert qui sont basées sur de nombreux échantillons de textures variées (Jamagne et al., 1977), ainsi que des dires d’experts. Concernant les propriétés hydriques, les teneurs en eau, humidités pondérales à la capacité au champ (Hcc) et au point de flétrissement (Hpf) ainsi que la con-ductivité hydraulique à saturation (Ksat) ont été estimées à partir des relations de pédo-transfert (Ritchie et al., 1999; Suleiman and Ritchie, 2001), qui relient les propriétés hydriques à la densité apparente, à la granulométrie et à la porosité9; cela fournit une estimation plus précise qu’à partir des classes de texture (Morvan et al., 2004). Nous avons également confronté ces informations à des références mesurées, à des données déjà disponibles dans le modèle CERES-EGC ainsi qu’à des travaux de Jamagne et al. (1977) qui donnent des estimations de Hccet Hpfpour des horizons non travaillés. La teneur en C total dans l’horizon de surface est issue d’une synthèse nationale de Arrouays et al. (1999), décrivant les principaux types de sol.
Classes de sol (texture) Hcc Hpf Densité apparente Ksat Références % % gcm−3 cmjour−1
BRUNISOL (argileux) 24.0 11.9 1.40 34.0 (Jamagne et al., 1977; Ritchie et al., 1999)
CALCISOL (limon argileux) 35.0 13.3 1.32 300.0 (Gabrielle et al., 2002)
CALCOSOL caillouteux (limon argileux) 37.3 22.3 1.30 41.3 (Bouthier, 1999)
CALCOSOL (sableux) 19.9 8.3 1.40 70.0 (Jamagne et al., 1977; Ritchie et al., 1999)
CALCOSOL typique (limoneux) 19.9 8.3 1.40 70.0 (Jamagne et al., 1977; Ritchie et al., 1999)
FLUVISOL (limoneux) 27.0 15.0 1.45 40.0 (Angas, 2000)
LUVISOL sur loess (limon argileux) 30.7 12.9 1.25 61.0 (Hermel, 2001)
LUVISOL hydromorphe (limon argileux) 31.0 10.0 1.30 5.0 (Gabrielle et al., 2006a)
LUVISOL typique (limon argileux) 35.0 13.3 1.32 300.0 (Gabrielle et al., 2002)
NEOLUVISOL (limon argileux) 35.0 16.5 1.30 40.0 (Gabrielle et al., 1995)
PELOSOL (argileux) 27.1 12.9 1.39 21.0 (Jamagne et al., 1977; Ritchie et al., 1999)
PLANOSOL (limoneux ou sableux/argileux) 21.0 7.9 1.40 47.0 (Jamagne et al., 1977; Ritchie et al., 1999)
PODZOSOL (sableux) 17.7 5.1 1.50 464.0 (Gabrielle et al., 1998)
RENDOSOL (limon argileux) 31.0 14.0 1.45 10.0 (Gabrielle et al., 2002)
TAB. 3.3 : Ordres de grandeur des caractéristiques hydriques des sols et de leur densité apparente selon
leur texture pour les 15 centimètres proches de la surface. Classification des sols selon le Référentiel Pédologique Français (Baize and Girard, 1995) et le Référentiel Régional Pé-dologique d’Ile de France(Roque J., 2003).