Soil properties estimation and quantification of their variability at medium scale
Estimations de propriétés du sol et quantification de leur variabilité à moyenne échelle
Résumé
The present study aimed to estimate soil properties on a medium scale and provide an indicator of the reliability of these estimates. To achieve this, statistical techniques were employed instead of, or alongside, a soil map to estimate soil properties with a known degree of accuracy. An area of 10,000 hectares in the south of Ille-et-Vilaine (France) was chosen as the experimental site. This area has two significant geological features: to the north, the Rennes basin comprises late Proterozoic schists, and to the south, the Martigné-Ferchaud synclinorium has layers of Paleozoic sandstones and schists. The variety of soil substrates and the existence of a 1:25,000 scale soil map explain the choice of this area. Firstly, two kriging procedures were used to map soil properties for which numerous observed values were available: linear and indicative kriging were used to obtain soil depth and wetness class maps, respectively. The resulting maps illustrate the dominant trends in the spatial variation of these properties; however, the estimation variance remains substantial due to a significant nugget effect. The kriged maps appear smoother than the soil depth and wetness classes maps derived from the soil map. This highlights the importance of landscape features in the soil surveyor's approach to defining the boundaries of the soil map. In a second stage, variability within three mapping units is described using an independent sampling scheme. This allows points 5, 25 and 100 metres apart within the same mapping unit delineation to be compared, as well as points located in different delineations. The three mapping units constitute different populations according to the soil properties used to define them and the physical properties of the topsoil horizon. However, variability within mapping units can sometimes be significant, which introduces uncertainties when using the soil map for practical applications. Finally, studying the variability within and between the delineations of the same mapping unit gives an idea of the sampling intensity needed to obtain estimations of a soil property corresponding to a given level of precision.
L'objectif de ce travail porte sur l'estimation de propriété s du sol à moyenne échelle et les possibilités d'associer à une telle estimation une indication de sa fiabilité. Pour cela, on analyse successivement les possibilités d'emploi des techniques statistiques, de façon alternative à la cartographie pédologique ou de façon complémentaire à celle-ci, pour obtenir des estimations de propriétés du sol avec une précision connue. Un secteur de 10 000 hectares, situé dans le sud de l'Ille-et-Vilaine, a servi de terrain expérimental à cette étude. Il recouvre deux grands ensembles géologiques: au nord, le bassin de Rennes constitué de schistes briovériens ; au sud, le synclinorium de Martigné-Ferchaud composé d'une succession de schistes et de grès paléozoïques. Ce secteur a été retenu du fait d'une très grande variété des substrats et de l' existence d'une carte pédologique à l'échelle du 1/25 000. Dans une première partie, deux techniques de krigeage sont successivement utilisées pour cartographier des propriétés du sol pour lesquelles on disposait de nombreuses mesures ponctuelles : d'une part, le krigeage linéaire pour cartographier la profondeur du sol, d'autre part, le krigeage indicatif pour cartographier la classe d'hydromorphie. Les cartes obtenues par krigeage mettent en évidence les grandes tendances de variation de ces deux propriétés, mais les estimations obtenues sont toujours peu précises. La comparaison avec des cartes de la profondeur du sol ou de la classe d'hydromorphie dérivées de la carte pédologique, met en évidence l'aspect extrêmement lissé des cartes krigées en regard des cartes issues de la carte pédologique. Cette comparaison souligne également l'importance accordée aux facteurs du milieu, extrinsèques au sol (végétation, topographie, états de surface,...), dans le tracé des limites de la carte pédologique. Dans une seconde partie, à partir d'un échantillonnage indépendant nous permettant de comparer des points distants de 5, 25 et 100 mètres au sein d'une plage cartographique et des points situés dans des plages cartographiques différentes, nous décrivons la variabilité de propriétés du sol au sein de trois unités cartographique s. Ces trois unités cartographiques constituent des populations différentes à la fois pour les propriétés du sol qui ont servi à l'établissement de la carte pédologique et pour des propriétés physiques de l'horizon de surface. Néanmoins, la variabilité au sein des unités cartographiques s'avère dans certains cas importante et induit des incertitudes quand on exploite le document cartographique à des fins d'application. Enfin, l'étude de la variabilité au sein et entre des plages cartographiques d'une même unité, fournit un ordre de grandeur de la densité d'échantillonnage que suppose l'estimation de propriétés du sol avec un niveau de précision donné. Cette étude montre l'intérêt d'une approche quantifiée de la variabilité spatiale des propriétés du sol à moyenne échelle, pour appréhender de façon plus raisonnée l'exploitation des documents cartographiques à des fins d'application.
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