La spectrométrie à infrarouge proche pour l’analyse de sol, comment ça marche?

Spectroscopie à infrarouge proche pour l’analyse du sol

Notre population croît rapidement, créant ainsi un besoin alimentaire beaucoup plus important, alors que le changement climatique et la mauvaise gestion des sols ont déjà affecté de vastes régions du monde réduisant la capacité de production. En conséquence, le besoin de techniques et d’instruments permettant une surveillance rapide des sols n’a jamais été aussi grand. Malheureusement, l’échantillonnage du sol et l’analyse en laboratoire prennent souvent trop de temps, de coûts et de main-d’œuvre pour répondre aux besoins actuels, mais la grande précision demeure une condition préalable.

L’utilisation de la spectroscopie à infrarouge proche dans la science du sol

Au cours des dernières décennies, des équipes de recherche ont concentré leur attention sur l’utilisation de la spectroscopie de réflectance diffuse dans le proche infrarouge pour mesurer les constituants du sol. Au milieu des années 1990 et au début des années 2000, le domaine a commencé à prendre de la vitesse, initiant et mettant en lumière des développements significatifs de la technologie et des techniques. Une grande quantité de travail, réalisée par de nombreux chercheurs à travers le monde, a contribué à ce qui est maintenant le noyau de la spectroscopie infrarouge pour la science du sol. Les études les plus influentes ont été menées par Ben-Dor et Banin (1995), Viscarra Rossel et McBratney (1998), Shepherd et Walsh (2002), entre autres. De nos jours, il y a encore beaucoup de scientifiques et de développeurs qui utilisent les mêmes principes, et en s’appuyant sur eux, améliorent continuellement les méthodes.

Le cœur de la recherche en spectroscopie à infrarouge proche pour les sols

La composition basique du sol, ou plus précisément, la matière organique du sol, la texture du sol et la minéralogie argileuse du sol ont été au cœur de la plupart des recherches de spectroscopie infrarouge pour les sols. Bien sûr, la disponibilité des nutriments, la structure du sol, l’activité microbienne du sol et la fertilité du sol ont également été un sujet d’intérêt majeur au cours des deux dernières décennies.

Principaux avantages de la spectroscopie à infrarouge proche pour l’analyse des sols

L’un des plus grands avantages de l’utilisation de la spectroscopie à infrarouge proche pour l’analyse des sols est la préparation d’échantillons simples (ou mieux encore, presque inexistants), sans danger. De plus, le temps nécessaire pour effectuer une mesure n’est que de quelques secondes, et cette mesure peut être effectuée aussi bien en laboratoire que sur le terrain. Diverses propriétés du sol peuvent être estimées à partir du signal spectral (également appelé signature spectrale du sol ou courbe spectrale d’absorption) du sol mesuré.

Image 1: Le spectromètre proche infrarouge du scanner SoilCares.

Utilisation du spectromètre pour obtenir la signature spectrale du sol

Le spectromètre est l’instrument utilisé pour obtenir la signature spectrale du sol. Ces instruments peuvent être soit passifs, utilisant le soleil comme source de lumière, soit actifs avec une source de lumière intégrée. Le rayonnement de la source déclenche des vibrations des liaisons moléculaires des constituants du sol, leur permettant d’absorber la lumière différemment. Le résultat est une courbe d’absorption de forme très caractéristique utilisée pour l’analyse du sol et les prédictions de propriétés. Cette courbe est une représentation des fréquences auxquelles la lumière absorbe et elle est généralement mesurée en pourcentage de réflectance ou d’absorbance. Divers facteurs environnementaux, associés à la matrice chimique, détermineront le diagramme d’absorption dans toute la gamme de longueurs d’onde. Les longueurs d’onde auxquelles la plus grande partie de la lumière est absorbée correspondent à des constituants ou propriétés du sol particuliers. Cette information est utilisée pour déterminer les caractéristiques du sol en établissant un lien entre l’absorption et les concentrations. Les facteurs qui ont le plus d’influence sur l’absorption sont l’humidité, la température et la composition chimique du sol.

Figure 1. Courbes de réflectance spectrale pour les humus limoneux à diverses teneurs en eau (Source: Bowers and Hanks, 1965)

Informations cruciales sur de nombreuses constitutions de sols organiques et inorganiques

Cette région spectrale, peut également fournir des informations cruciales sur de nombreux constituants du sol organiques et inorganiques. Toutes les absorptions observées dans la région NIR entre 780 et 2500 nm sont un produit des vibrations OH, NH, CH, SO et CO montrant un grand moment dipolaire. Dans cette région de longueur d’onde, nous pouvons également observer l’influence de la minéralogie argileuse, due à la courbure du coude OH-métal et aux combinaisons étirées de la liaison O-H de l’eau liée à l’argile (Stenberg et al., 2010). D’autres propriétés qui peuvent être observées dans le spectre NIR sont la teneur en humidité et les carbonates (Viscarra Rossel et al., 2006a).

Que mesure-t-on avec la spectroscopie à infrarouge proche?

Essentiellement, ce que nous mesurons est l’interaction entre le rayonnement IR et les combinaisons moléculaires particulières des vibrations fondamentales originelles provenant de la région de l’infrarouge moyen (MIR). Dans la région du proche infrarouge (NIR), les spectres de sol sont caractérisés par relativement peu de caractéristiques d’absorption larges par rapport à la partie du spectre dans l’infrarouge moyen (MIR). La raison en est que les bandes sont pour la plupart larges et se chevauchent souvent. Ceci, à son tour, rend les spectres NIR plus difficiles à interpréter. Par exemple, la figure 1 montre des signatures spectrales de sol typiques, dérivées d’échantillons avec une teneur en humidité différente. Comme nous pouvons le voir, plus l’humidité est élevée, plus la réflectance globale est faible. Cependant, nous pouvons être encore plus précis. Les longueurs d’onde associées à la teneur en humidité sont de 1400 nm et 1900 nm. Avec une teneur en humidité plus élevée, l’absorption à ces longueurs d’onde devient également plus importante. En d’autres termes, plus la valeur de réflectance est faible à ces longueurs d’onde, plus la teneur en humidité est élevée.

Les différentes sections optiques de la gamme spectrale électromagnétique. (Source: Chaire de recherche du Canada en vision infrarouge multipolaire)

Plus le nombre d’échantillons de sol est élevé, plus les résultats sont précis. L’exemple avec la teneur en eau est l’un des plus simples, car la relation entre les valeurs de réflectance et cette propriété est directe. Cependant, pour de nombreuses propriétés du sol, nous avons souvent besoin d’établir des relations indirectes afin de prédire les concentrations à partir des spectres NIR (Luleva et al, 2011). La méthode la plus courante pour traduire les spectres en nombres significatifs est l’utilisation de la chimiométrie. C’est le moyen d’extraire l’information des spectres, en la rapportant statistiquement aux données chimiques. Il en résulte des modèles de prédiction d’éléments chimiques, de composés ou de propriétés qui traduisent la courbe spectrale en valeurs utiles avec différents degrés de précision. Les propriétés individuelles peuvent être prédites directement, comme indiqué ci-dessus, ou indirectement, en utilisant ces modèles. Plus le nombre d’échantillons est élevé, plus nos modèles de prédiction sont précis.

Un outil analytique puissant pour l’analyse des sols

En résumé, le NIR est un outil analytique puissant et pratique. Bien que les informations pouvant être obtenues dans la région MIR soient souvent beaucoup plus complètes, les spectromètres de mesure NIR sont beaucoup moins coûteux et plus rapides. Les mesures NIR ne nécessitent quasiment aucune préparation d’échantillon, ne demandent pas l’utilisation de produits chimiques et sont faciles a utiliser. Le seul inconvénient est la conversion compliquée d’informations utiles à partir des données spectrales enregistrées. Cependant, une base de données complète et appropriée et le logiciel dédié, qui utilise l’apprentissage automatique et la chimiométrie (disponible chez SoilCares), éliminent cet obstacle. Bien sûr, les bonnes méthodes doivent être couplées avec le bon outil d’acquisition de données- nous vous recommandons, le Scanner SoilCares.

Article écrit par Mila Luleva & Herman Vedder

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