LIBS et XRF : deux capteurs pour la mesure rapide des éléments nutritifs dans les sols

Le numérique en viticulture : les capteurs du sol à la vendange !
Module 1. Les capteurs de mesure au sol
Journées techniques - UMT Seven
26 février 2020, Bordeaux Science Agro

La détermination de la composition élémentaire dessols constitue une étape obligatoire dans les études agronomiques et environnementales.Elle est à la base de l’analyse des processus et de la modélisation dufonctionnement des cycles biogéochimiques à différentes échelles. Généralement,l’analyse des sols est réalisée au laboratoire par des techniques despectrométrie atomique et intègre une procédure préalable de préparation deséchantillons qui consiste à les sécher, à les broyer et à les mettre ensolution. Ces étapes sont coûteuses en temps et dangereuses par l’utilisationd’acides concentrés. Cela limite fortement la force d’échantillonnage etd’acquisition d’information à haute fréquence. D’un point de vue opérationnel,cela constitue un frein au diagnostic rapide in situ d’une situation de déficience ou de contamination d’uneparcelle. Dans ces conditions, une technique d’analyse rapide qualitative etquantitative de la composition multi-élémentaire, utilisable directement sur leterrain, constitue une avancée méthodologique importante pour traiter desquestions scientifiques (étude du couplage des cycles élémentaires, bilansenvironnementaux, transferts sol-plante…), et opérationnelles (diagnostic in situ).

L’émergence récente de systèmes portables despectrométrie de fluorescence des rayons X (XRF) ou de spectrométrie sur plasmainduit par laser (LIBS) représentent une opportunité pour l’analyse élémentairein situ rapide des sols dans le cadre d’études environnementales ouagronomiques. Ces deux techniques sont capables de détecter sur deséchantillons de nature variée (solides, liquides ou poudres) des élémentschimiques dans des gammes de concentrations allant du mg/kg au pourcent.Compte-tenu de ces limites et des gammes de concentrations connues dans lessols, l’identification et le dosage des éléments Mg, Al, P, S, K, Ca, Mn, Fe,Cu et Zn  et de quelques éléments entraces (Cd, Pb, Cr et Ni) peuvent être été testés sur des sols agricoles.

Les  deuxspectromètres peuvent éventuellement être utilisés directement en tantqu’instruments de mesures grâce à un étalonnage interne « universel »destiné à l’ensemble des matériaux analysables. Cependant, pour être utiliséscomme capteurs, c’est-à-dire pour faire des analyses quantitatives, rapides etdirectes des éléments nutritifs dans les sols, il est nécessaire de prendre encompte les effets de matrice, c’est-à-dire l’influence des concentrations desautres éléments présents ou encore l’influence de facteurs environnementauxtels que l’humidité par exemple qui affectent le signal analytique.

Nous avons donc préalablement évalué en laboratoire,sur des échantillons préparés, la fiabilité des mesures LIBS et XRF enétablissant des modèles de régression univariés et/ou multivariés à l’aide deméthodes de référence de chimie analytique. Puis nous avons montré quel’humidité est le facteur environnemental impactant le plus les signauxobtenus. Il reste à évaluer si les modèles de régression obtenus en laboratoirepeuvent être directement utilisés pour prédire les concentrations d’échantillonsmesurés directement sur le terrain par ces instruments portables.  Alternativement, des outils mathématiques denormalisation des signaux pourront être utilisés pour compenser l’effet del’environnement sur les mesures faites in situ.

>> Pierre Masson, Directeur de l'USRAVE, INRAE Nouvelle Aquitaine