Variabilité spatiale et déterminismes agro-pédologiques du devenir d'un herbicide dans l'horizon de surface. Application au cas de l'isoproturon dans un secteur agricole de Beauce chartraine

English. Diffuse pollution of groundwater bodies by pesticides is a critical environmental issue. Approaches designed to spatially modulate the applied pesticide dose, as a function of pesticide leaching risks down the soil, seem to be appealing solutions. In a research context, such approaches require a mapping of soil hydropedologic properties and of pesticides adsorption and degradation properties, in order to be able to model molecules fate in soils. The PhD work presented here deals with the first step of such approach: the characterisation of soils properties and an herbicide molecule -isoproturon- fate properties in soil at the scale of a 2600 ha agricultural area in the Beauce chartraine region. The PhD objectives hold in 3 parts: <em> characterising the spatial variability of soils pedological, physico-chemical and hydraulic properties (water retention, hydraulic conductivity KSAT, immobile water fraction fIMM), as well as isoproturon adsorption (KD) and degradation (DT50) properties in the topsoil of the studied area; [ii] Identify the agronomical and/or pedological determinisms of properties that are important for pesticides fate in soils; [iii] Calibrate and test pedotransfer lasses or functions in order to predict important properties using simpler agronomical and/or pedological properties. Soils in the studied area have intermediate thickness and are derived from an aeolian loess that stands on a frost cracked and cryoturbed limestone. The topsoil of 34 sites has been characterised, with a systematic measurement of the seedbed properties, and a partial measurement of the rest of the cultivated layer. Among the 50 layers / samples that were characterised, one-third holds in no-tillage fields. With the exception of bulk density, soil physico-chemical properties are moderately variable (notably clay and CaCO3 contents). If the water holding properties and isoproturon KD are moderately contrasted too, soil fIMM, and KSAT, as well as isoproturon DT50 are highly variable. An important ‘method effect’ has been identified when treating the measurements results of these two last variables. A ‘robust’ direct fitting procedure has been established for KSAT computation, and a direct fitting procedure has been applied for DT50 estimation. This last method does not solve the critical lack of correspondence between a degradation kinetics that was indeed biphasic and the first order equation used by pesticide fate models. A close look at the statistical relations that exist between variables with both parametric and non-parametric methods revealed coherent but weak links (and thus potentially determinisms) between the variables: an important part of the spatial variability is not explained by the measured agro-pedological variables. The impossibility of calibrating local classes or pedotransfer functions with a satisfying prediction error arises as a logic, but problematic, consequence of this 'undetermined’ variability of soils and isoproturon fate variability. It is only possible to consider a KD or KOC prediction. It does not seems to be possible to predict – and so to spatialize – the other important properties influencing isoproturon fate in the topsoil of the studied area, using the measured properties together with the statistical analysis tested.

French. La pollution diffuse des nappes phréatiques par les pesticides pose un problème environnemental critique. Les approches visant à moduler spatialement la dose de pesticide apportée en fonction des risques de transfert des molécules phytosanitaires à travers le sol sont a priori une solution séduisante. Dans un cadre de recherche, ces approches requièrent une connaissance spatialisée des caractéristiques hydropédologiques du sol, de l'adsorption et de la dégradation des molécules phytosanitaires, afin de pouvoir modéliser le comportement des molécules. Le travail de thèse présenté ici porte sur la première étape d'une telle démarche, la caractérisation des propriétés du sol et d’une molécule herbicide – l’isoproturon – à l’échelle d’un secteur agricole de 2600 ha de Beauce chartraine. Les objectifs de la thèse se décomposent en 3 parties : <em> Caractériser la variabilité spatiale des propriétés pédologiques, physico-chimiques et hydriques du sol (rétention en eau, conductivité hydraulique KSAT, fraction d'eau immobile fIMM), ainsi que les propriétés d’adsorption (KD) et de dégradation (DT50) de l’isoproturon dans l’horizon de surface du secteur agricole étudié ; [iii] Identifier les déterminismes agronomiques et/ou pédologiques des propriétés importantes pour le comportement des pesticides dans les sols ; [iv] Établir et tester des classes et des fonctions de pédotransfert permettant de prédire ces propriétés déterminantes à partir de propriétés agronomiques ou pédologiques plus simples. Les sols de ce secteur sont des sols moyennement épais développés dans un limon éolien reposant sur un calcaire gélifracté et cryoturbé. L’horizon de surface de 34 sites a été caractérisé, avec une détermination systématique des propriétés du lit de semence, et une détermination partielle du reste de l’horizon travaillé. Sur les 50 couches / échantillons de sol caractérisés, un tiers se trouvent dans des parcelles en travail simplifié (sans labour). À l’exception de la masse volumique apparente, les propriétés physico-chimiques du sol sont peu variables (teneur en argile et en CaCO3 notamment). Si les propriétés de rétention en eau et le KD de l’isoproturon sont, elles aussi, modérément contrastées, la fIMM, la KSAT, et la DT50 de l’isoproturon sont très variables. Un ‘effet méthode’ conséquent a été identifié pour l’interprétation des résultats des mesures de ces deux dernières propriétés. Une procédure d’ajustement direct ‘robuste’ des données d’infiltration a été mise au point pour calculer le KSAT, ainsi qu'une procédure d’ajustement direct des données de dégradation pour le calcul de la DT50 de l'isoproturon, mais elle ne résout pas l’inadéquation critique entre la cinétique de dégradation ‘effectivement’ biphasique observée pour la molécule et le modèle d’ordre 1 utilisé par les modèles pesticides. Une étude attentive des liens statistiques entre les propriétés par des méthodes paramétriques et non-paramétriques révèle des liens (et donc des déterminismes potentiels) cohérents mais peu marqués entre les propriétés : une part importante de la variabilité spatiale n’est pas expliquée par les propriétés agro-pédologiques mesurées. La conséquence logique, mais problématique, de cette variabilité ‘indéterminée’ des propriétés du sol et de l’isoproturon est l’impossibilité d’établir des classes ou des fonctions de pédotransfert locales avec une erreur de prédiction satisfaisante. Seule la prédiction du KD, ou du KOC, peut être envisagée. Avec les propriétés mesurées et les méthodes d’analyse testées, il ne semble pas possible de prédire – et donc de spatialiser – les autres propriétés importantes pour le devenir de l’isoproturon dans l’horizon de surface de ce secteur.