Une méthode simplifie la mesure du carbone du sol grâce au laser et à l'IA

Alors que le changement climatique s'impose comme une priorité mondiale, une innovation brésilienne promet de transformer la façon dont le carbone des sols est calculé. Des chercheurs d'Embrapa Instrumentação (SP) ont développé une méthode utilisant des lasers et l'intelligence artificielle pour estimer la densité et la teneur en carbone des sols en une seule analyse. Cette solution simplifie les processus traditionnels, chronophages, réduit les coûts et peut accélérer les initiatives liées aux marchés de crédits carbone.

Combinant la photonique et un modèle d'apprentissage automatique, cette méthode permet d'estimer rapidement et efficacement la masse volumique apparente et la teneur en carbone du sol. Cette solution est adaptée aux applications de terrain à grande échelle, telles que l'agriculture de précision et la surveillance environnementale. Basée sur la spectroscopie d'émission à plasma induit par laser (LIBS), elle remplace les mesures séparées de la masse volumique apparente et de la concentration en carbone en une seule analyse.

Pour surmonter les défis des méthodes traditionnelles, telles que l'anneau volumétrique, qui nécessite des échantillons non perturbés ou non perturbés (photo ci-dessus) et impose de longues étapes de collecte et de préparation (voir tableau ci-dessous), le chercheur Paulino Ribeiro Villas-Boas, en co-auteur avec Ladislau Martin Neto et Débora Milori, a développé un modèle basé sur LIBS pour une estimation efficace et économique de la densité apparente et du stock de carbone dans le sol.

La méthode a déjà fait l'objet d'une demande de brevet auprès de l'Institut national de la propriété industrielle (INPI) et est en cours d'octroi de licences au secteur privé. La solution technologique sera présentée lors du Symposium national sur l'instrumentation agricole (SIAGRO), qui se tiendra du 14 au 16 octobre à São Carlos, dans l'État de São Paulo. 

Méthode alliant efficacité, rapidité et économie

« La méthode proposée utilise des modèles de régression d'apprentissage automatique calibrés avec des spectres LIBS d'échantillons de sol dont la densité apparente et la concentration en carbone sont connues. Nous avons entraîné et évalué le modèle à l'aide d'un ensemble de 880 échantillons de sol brésiliens divers, répartis aléatoirement en 70 % pour l'entraînement et 30 % pour les tests », explique Villas-Boas.

Des échantillons ont été prélevés lors d'expériences de terrain à long terme dans des instituts de recherche, des propriétés agricoles et des zones de forêt indigène, avec une représentation plus importante des biomes du Cerrado et de la forêt atlantique. Les prélèvements ont été effectués dans des tranchées de 0 à 100 cm de profondeur afin de saisir les variations de matière organique de la surface à la subsurface.

« La méthode développée estime non seulement la densité apparente du sol, mais aussi sa teneur en carbone, permettant ainsi de calculer les stocks de carbone avec une seule analyse LIBS. Cette méthodologie facilite le prélèvement d'échantillons de sol, car elle permet de prélever des échantillons déformés, c'est-à-dire dont la structure a subi des modifications pendant le prélèvement », explique le chercheur.

La technique profite à différents utilisateurs

Pour Villas-Boas, les résultats de l’étude soulignent le potentiel du LIBS pour estimer simultanément plusieurs propriétés du sol, élargissant son utilité en science du sol au-delà de la composition élémentaire pour inclure des paramètres physiques et chimiques critiques tels que la densité apparente.

« L’analyse contribue à la gestion durable des sols et à l’atténuation et à l’adaptation au changement climatique, en plus de stimuler les initiatives de surveillance et les marchés de crédits carbone », prédit le chercheur.

La technologie peut être utilisée par les laboratoires de pédologie et les producteurs ruraux, qui bénéficieront de la méthode, car elle permettra des estimations plus fréquentes des stocks de carbone sur leurs propriétés agricoles, ainsi que par les certificateurs de crédits carbone, dont les activités et les vérifications seront facilitées.

Le LIBS nécessite un traitement minimal

La spectroscopie d’émission de plasma induit par laser (LIBS) est un outil rapide, polyvalent et efficace pour évaluer les échantillons de sol, car elle capture les caractéristiques essentielles associées à la densité apparente et à la teneur en carbone.

Milori explique que la technique LIBS consiste à focaliser une impulsion laser à haute énergie sur la surface de l'échantillon pour générer un microplasma (un nuage d'atomes, d'ions et d'électrons à haute température). Ce plasma émet une lumière caractéristique qui agit comme une « empreinte » du matériau, car chaque élément chimique (comme le carbone, le fer et le calcium) émet de la lumière à des longueurs d'onde spécifiques.

Selon le chercheur, un autre avantage important est que la technique nécessite un prétraitement minimal de l'échantillon, y compris l'élimination des particules plus grosses que les grains de sable (brindilles, fragments de racines, feuilles et pierres), ainsi que le séchage, l'homogénéisation et la granulation.

« Le spectre LIBS d'un échantillon de sol présente des centaines de raies d'émission correspondant à des éléments courants du sol tels que le carbone, le silicium, l'aluminium, le magnésium, le fer et le calcium. Ces caractéristiques spectrales, influencées à la fois par la composition élémentaire et les propriétés structurelles, jouent un rôle crucial dans l'estimation de la masse volumique apparente du sol », explique Villas-Boas.

Villas-Boas ajoute que les variations de la structure et de la composition du sol se reflètent dans les spectres LIBS, qui, lorsqu'ils sont combinés avec des modèles d'apprentissage automatique, permettent d'estimer la densité apparente du sol.

Les méthodes traditionnelles sont complexes

Martin Neto explique que, dans les méthodes traditionnelles, en plus de creuser une tranchée jusqu'à un mètre de profondeur, en raison des caractéristiques des sols et des cultures du pays, une pelle rétrocaveuse est généralement nécessaire pour ouvrir la tranchée.

Cependant, cela peut avoir un impact sur les cultures environnantes, et il est toujours nécessaire d'effectuer une procédure spécifique pour « enfoncer » un anneau volumétrique dans le sol, et de le retirer soigneusement pour éviter de perdre des échantillons de sol et de générer des erreurs dans le calcul de la densité.

Si le sol est très sableux ou très sec, il peut être difficile d'enfoncer l'anneau et d'en extraire la terre. Cela prend du temps aux équipes de collecte, ce qui augmente les coûts d'échantillonnage, car le processus est long et nécessite une manipulation minutieuse. En laboratoire, la masse de sol contenue dans l'anneau volumétrique est séchée puis pesée sur une balance analytique afin d'obtenir les données de masse et de densité du sol », explique le chercheur.

Selon lui, avec la nouvelle méthode, l'échantillon peut être prélevé rapidement avec des échantillonneurs automatiques et sans le risque d'erreurs qui existe avec la méthode traditionnelle.

La densité reflète la santé du sol

La densité du sol est une mesure de la masse sèche de tous les matériaux contenus dans un volume donné et comprend les fractions d'origine minérale et organique du sol, qui sont normalement difficiles à mesurer avec les méthodes conventionnelles. 

« C'est un indicateur de la structure du sol, qui reflète le degré de compaction et est essentiel pour des calculs précis des stocks de carbone et de nutriments. Cependant, la relation avec le stock par surface n'est pas directe : le stock dépend simultanément de la concentration en carbone organique et de la densité apparente du sol. De plus, les sols présentant des concentrations plus élevées en carbone organique ont tendance à avoir une densité apparente plus faible et une meilleure agrégation », explique Martin Neto.

Les études futures pourraient inclure la fusion de techniques

Cependant, les chercheurs affirment que la technique est encore sous-explorée, ce qui représente une opportunité précieuse pour améliorer les méthodes dans les contextes agricoles et environnementaux, notamment pour optimiser l’estimation des stocks de carbone du sol.

« Les progrès dans les techniques de fusion de capteurs, de prétraitement et de modélisation restent essentiels pour une surveillance fiable du carbone du sol in situ », conclut Villa-Boas.

L'étude « LIBS pour des estimations rapides de la densité apparente du sol et du stock de carbone : vers une surveillance évolutive du carbone du sol » a reçu le soutien du Conseil national pour le développement scientifique et technologique (CNPq) et de la Fondation de recherche de São Paulo (Fapesp) et a été publiée dans le European Journal of Soil Science.