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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 des sols constitue une étape obligatoire dans les études agronomiques et environnementales. Elle est à la base de l’analyse des processus et de la modélisation du fonctionnement des cycles biogéochimiques à différentes échelles. Généralement, l’analyse des sols est réalisée au laboratoire par des techniques de spectrométrie atomique et intègre une procédure préalable de préparation des échantillons qui consiste à les sécher, à les broyer et à les mettre en solution. Ces étapes sont coûteuses en temps et dangereuses par l’utilisation d’acides concentrés. Cela limite fortement la force d’échantillonnage et d’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’une parcelle. Dans ces conditions, une technique d’analyse rapide qualitative et quantitative de la composition multi-élémentaire, utilisable directement sur le terrain, constitue une avancée méthodologique importante pour traiter des questions scientifiques (étude du couplage des cycles élémentaires, bilans environnementaux, transferts sol-plante…), et opérationnelles (diagnostic in situ).

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

Les  deux spectromètres peuvent éventuellement être utilisés directement en tant qu’instruments de mesures grâce à un étalonnage interne « universel » destiné à l’ensemble des matériaux analysables. Cependant, pour être utilisés comme capteurs, c’est-à-dire pour faire des analyses quantitatives, rapides et directes des éléments nutritifs dans les sols, il est nécessaire de prendre en compte les effets de matrice, c’est-à-dire l’influence des concentrations des autres éléments présents ou encore l’influence de facteurs environnementaux tels 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 en établissant des modèles de régression univariés et/ou multivariés à l’aide de méthodes de référence de chimie analytique. Puis nous avons montré que l’humidité est le facteur environnemental impactant le plus les signaux obtenus. Il reste à évaluer si les modèles de régression obtenus en laboratoire peuvent être directement utilisés pour prédire les concentrations d’échantillons mesurés directement sur le terrain par ces instruments portables.  Alternativement, des outils mathématiques de normalisation des signaux pourront être utilisés pour compenser l’effet de l’environnement sur les mesures faites in situ.

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