Respiration in situ v1

A11 - avec un dispositif déployé sur le terrain conçu par le Pecnot'Lab

Résumé

On mesure sur le terrain la respiration des organismes et des racines présents dans le sol par le dosage du CO2 libéré dans une enceinte hermétique placée à la surface du sol.

Questions posées

• Quelle est la quantité de CO2 émis par le sol ?

• Quelle est l'intensité de la vie microbienne du sol au moment de la mesure ?

• Peuvent-ils décomposer la matière organique ?

Sources

Inspiré de la malette de l'USDA (Soil Quality Test Kit Guide - USDA, july 2001) et de Parkin (1996).

Principes

Il s’agit d’une variante au protocole de l’USDA, qui permet de suivre en continue sur la période de mesure l’évolution de la teneur en CO2 ainsi que des paramètres associés à cette mesure. La mesure du CO2 est à la fois plus précise et immédiate. Elle permet de connaître la teneur au début de la mesure, le comportement de la station (relargage de CO2 important au démarrage de la mesure p ex), d’enregistrer dans la cloche les paramètres associés immédiatement, toutes choses que la méthode par tube Draëger ne peut réaliser. La manipulation est simplifiée, et les résultats sont plus précis.

La cloche à CO2 est constituée d’un cylindre métallique enfoncé en partie dans le sol, dont l’extrémité supérieure est fermée hermétiquement par un bouchon qui contient le dispositif électronique qui permet d’enregistrer plusieurs paramètres : • Concentration en CO2 • Température et humidité relative de l’atmosphère de la cloche • Température et humidité du sol • Pression atmosphérique • Date et heure • Coordonnées géographiques de la station (GPS en cours d’intégration)

La mesure s’effectue sur une durée de 30 minutes. Les données sont enregistrées sur une carte SD au format CSV.

Il a été montré par Parkin et al. (1996) que l’activité biologique augmente par un facteur de 2 pour une augmentation de la température de 10°C. Il a également été montré (Parkin et al., 1996) que l’activité microbienne est maximale lorsque 60 % des pores du sol sont remplis d’eau. Ainsi afin de standardiser la respiration du sol ces valeurs seront prises en considération dans le traitement des données. C’est pour cette raison que température et humidité du sol sont relevées par ce dispositif.

Il est conseillé de réaliser cette mesure lorsque l'humidité du sol est à la capacité au champ (humidité après ressuyage), si le sol est trop sec il est possible de le mouiller (par exemple en réalisant un test d'infiltration ) et de réaliser la mesure avant mouillage puis 6 à 24 h plus tard.

La température de l’air (chambre de mesure) et la pression atmosphérique sont nécessaires pour calculer la masse de CO2 produite.

le respiromètre Pecnot'Lab ®

Matériel

matériel

• Respiromètre du Pecnot'Lab ®

• cisaille à herbe

• cale en bois

• maillet

caractéristiques techniques

• CO2 Mesure: infrarouge non dispersif (NDIR)

• Gamme de mesure: 0 - 10,000 ppm

• Taux de mesure: toutes les secondes 2

• Diffusion du temps de réponse: secondes 20

• Temps de réponse Échantillon: 2 secondes 0.5 l / min débit de gaz tubulaire

• Répétabilité: ± 20 ppm ± 1% de la valeur mesurée dans les spécifications

• Précision: ± 30 ppm ± 3% de la valeur mesurée dans les spécification

variables

• Time (ms)

• Durée (mm :ss)

• Date (YY/MM/DD hh: mm: ss)

• CO2 (ppm)

• Temp sol (C)

• Hum sol (%)

• Patm (Pa)

• Temp air (C)

• Alti (m)

Réalisation de la mesure

1. Choisir une surface d’étude relativement plane et couper l’herbe à ras.

2. Enfoncer le tube entre 70 et 80 mm à l’aide de la cale en bois et du maillet. Faire attention de ne pas déformer le cylindre métallique. La hauteur à enfoncer dans le sol est marquée sur le tube (peinture blanche). A l’intérieur du tube en place, mesurer 4 hauteurs entre la surface du sol et le haut du tube. Retenir la moyenne (mh) et noter ∆h (mm), ∆h=mh-70, pour pouvoir calculer ultérieurement le volume d’air étudié.

3. Positionner le bouchon sur le tube, enclencher la mesure du capteur (bouton poussoir rouge) et attendre au moins 30 minutes. Le cas échéant protéger le dispositif du rayonnement solaire directe pour éviter des effets de surchauffe de la chambre de mesure (c’est aussi pour cette raison que la chambre est peinte en blanc).

4. Après 30 minutes, arrêter la mesure. Prendre soin de sauvegarder les données

Note : le dispositif électronique consomme beaucoup d’énergie, veiller à la bonne charge des batteries. Une batterie 9 volts en bon état permet de réaliser 2 mesures en condition normale de température.

Traitement des données

Le fichier de données CSV est transféré dans une feuille de calculs Excel afin de calculer la concentration en CO2 mesurée et de la convertir en valeur standardisée.

Détails des calculs effectués:

Volume de la chambre de mesure (Vc): Par construction, le volume de la chambre de mesure est de 0,88 litres si la cloche est enfoncée de 80 mm dans le sol. Il convient de calculer l’écart à cette hauteur de 80 mm (∆h) si l’enfoncement réel est différent. Vc = (0,88 +/- (∆h x 0,0186) ) litres

Surface de la mesure (Sm) : Sm= 186 cm2

L’émission de CO2 en 30 ‘ est calculée à partir de la courbe des données (∆ppm 30’ ). Il convient d’éliminer le cas échéant les enregistrements des premières minutes si ils ne sont pas représentatifs de la mesure. On observe en effet souvent un dégazage important les premières minutes, probablement du aux perturbations liées à la mise en place du cylindre dans le sol, avant que l’émission de CO2 ne se stabilise et devienne régulière.

La masse de CO2 émise est donnée par la formule suivante:

$$m(g)=(∆ppm .Vc.P.M)/(8,314.T.10^6 )$$

• m : masse CO2 g produite en 30 ‘ par la surface Sm

• Vc : volume de la chambre en l

• ∆ppm 30’ : émission de CO2 en 30 ‘

• P : pression atmosphérique en hPa

• T : température en K

• M : masse molaire du CO2 = 44,0099 g mol-1

• R : constante des gaz parfaits = 8,314

• Sm : surface de la mesure= 186 cm2 = 0,0186 m2

Standardisation des données

Les différences de température et de la teneur en eau des sols doivent être prises en compte afin de pouvoir les comparer. Pour standardiser la température du sol à 25°C, le taux de respiration du sol est multiplié par :

• 2 ^[(25-T)/10] pour des sols aux températures (T) comprises entre 15 et 35 °C ,

• 4 ^[(25-T)/10] pour des sols aux températures (T) comprises entre 0 et 15 °C ,

L’activité microbienne est maximale lorsque 60 % des pores du sol sont remplis d’eau. Une standardisation de la teneur en eau est faite pour cette valeur. Connaissant les données issues des protocoles Humidité et Porosité , on peut calculer l’espace poreux remplie d’eau (EP) en %, selon la formule :

$$EP = (W.da) / [ 1 – (da / 2,65) ]$$

Avec : W = la teneur en eau, en %; da = la porosité apparente, en g/cm3; 2,65 = densité moyenne des particules

• 30 % < EP < 60 % : Respiration du sol60 = taux de respiration x (60 / %EP mesuré)

• 60 % < EP < 80 % : Respiration du sol60 = taux de respiration / [ (80 - %EP mesuré) x 0,03] + 0,4

• EP > 80 % : la respiration est restreinte par les conditions d’humidité du milieu, elle ne doit pas être mesurée.

Interprétation des résultats

exemple d'expression des résultats

Respiration du sol en g CO2-C/m2/jour	Activité du sol	État du sol
0	Aucune	Le sol est virtuellement stérile
<0.8	Très faible	Le sol est très appauvri en matière organique disponible
0.8 -1.4	Modérée basse	Le sol est plutôt appauvri en matière organique disponible
1.4 - 2.8	Moyenne	Le sol s'approche ou est en légère baisse par rapport à l'idéal de l'activité biologique
2.8 - 5.7	Optimale	Le sol est à l'optimal de l'activité biologique et a un bon rapport entre la matière organique disponible et la population de microorganismes (à vérifier quand même avec le POXC)
>5.7	Elevée, inhabituelle	Le sol a un haut niveau de matière organique disponible résultant d'un apport important de matière organique fraîche ou de fumier

Références

• Soil Quality Test Kit Guide - USDA, july 2001.

• Parkin, T. B., Doran, J. W., Franco-Vizcaino, E., & Jones, A. J. (1996). Field and laboratory tests of soil respiration. Methods for assessing soil quality., 231-245.