Quantifying soil organic carbon by infrared spectroscopy | Cuantificación del carbono orgánico del suelo mediante espectroscopia infrarroja | Quantifier le carbone organique du sol par spectroscopie infrarouge

International audience

Inglés. Soil organic carbon (SOC) is a pillar of soil ecosystem services. However, SOC quantification, especially in terms of stock (in kgC m-2 for a given soil layer), or SOC fraction characterization, which helps understand SOC dynamics, are often tedious and/or costly. This article proposes an overview to show the value of IR spectroscopy to quantify SOC and its fractions time- and cost-effectively.Many works have demonstrated that IR spectroscopy allows accurate determination of SOC concentration (gC kg-1). In this approach, a statistical model is built on a set of calibration samples in order to express SOC (determined conventionally) as a function of the spectrum; then the model is applied on the spectra of new samples to predict their SOC concentration. In general, the mid-IR domain (MIR, 2,500-25,000 nm) yields better predictions for soils from temperate regions when spectra are acquired on finely ground samples (< 0.2 mm), while the near IR domain (NIR, 800-2500 nm) yields better predictions for soils from (sub)tropical regions or when spectra are acquired on more coarsely prepared samples (< 2 mm) or in the field. Indeed, spectrum acquisition is possible in the laboratory (on dry soil < 2 or < 0.2 mm) but also in the field (on cores, clods, etc.). Field spectroscopy eliminates the steps of sample packaging, transport and preparation (except for calibration), but yields less accurate predictions in general, mainly due to variable moisture between samples. Moreover, calibration with field spectra requires specific campaigns of soil sampling and analysis, so is much heavier than calibration with laboratory spectra; because collections of dry samples < 2 mm already analyzed conventionally are often available, so that building calibration models only requires spectrum acquisition on these samples.Recent works have also shown the interest of IR spectroscopy for predicting SOC stock, without having to determine bulk density (except for calibration). Predictions are more accurate in general when using spectra of dry soil < 2 mm than field spectra, except when coarse particle content (> 2 mm) is high and varies between samples. Furthermore, the IR spectrum of bulk soil can be used for predicting SOC distribution among its fractions, for instance particle size fractions. So IR spectroscopy facilitates SOC characterization, and increases the value of conventional analyses carried out on some samples by using them for predictions on other samples.

Español; castellano. El carbono orgánico del suelo (COS) es un pilar de los servicios ecosistémicos del suelo; pero su cuantificación es a menudo tediosa y/o costosa, especialmente en términos de stock de COS (en kgC°m-2 para una capa de suelo), como lo es también la caracterización de las fracciones que componen el COS. Este artículo propone una visión general para mostrar el valor de la espectroscopia infrarroja (IR) para cuantificar el COS y sus fracciones de una forma rápida y rentable.Muchos trabajos han demostrado que la espectroscopia IR permite determinar con precisión la concentración de COS (gC kg-1). En este enfoque, se construye un modelo estadístico sobre un conjunto de muestras de calibración con el fin de expresar el COS en función del espectro; a continuación, el modelo se aplica sobre los espectros de nuevas muestras para predecir su concentración de COS. En general, el dominio del IR medio (MIR, 2500-25 000 nm) arroja mejores predicciones para los suelos de regiones templadas cuando las muestras son finamente molidas (< 0,2 mm), mientras que el dominio del IR (visible y) cercano (CIR, 800-2500 nm; VCIR, 350-2500 nm) arroja mejores predicciones para los suelos de regiones (sub)tropicales o más toscamente preparados (< 2 mm), pero también en el campo. En efecto, la adquisición del espectro es posible en el laboratorio (en suelos secos < 2 o < 0,2 mm) pero también en el campo (en paredes de fosas, núcleos, terrones, etc.). La espectroscopia de campo elimina las etapas de embalaje, transporte y preparación de las muestras (excepto para la calibración), pero produce predicciones menos precisas en general, principalmente debido a la humedad variable entre las muestras. Además, la calibración con espectros de campo requiere campañas específicas de muestreo y análisis del suelo, por lo que es mucho más pesada que la calibración con espectros de laboratorio ; porque a menudo se dispone de colecciones de muestras secas < 2 mm ya analizadas convencionalmente, de modo que la construcción de calibraciones sólo requiere la adquisición de espectros en estas muestras.Trabajos recientes han mostrado también el interés de la espectroscopia IR para predecir el stock de COS, sin tener que determinar la densidad aparente (excepto para la calibración). En general, las predicciones son más precisas cuando se utilizan espectros de suelo seco < 2 mm que los espectros de campo, excepto cuando el contenido de partículas gruesas (> 2 mm) es elevado y varía entre las muestras. Por último, la distribución del COS entre sus diferentes fracciones, por ejemplo la granulométrica, puede predecirse a partir del espectro IR del suelo total. Así pues, la espectroscopia IR facilita la caracterización del COS y aumenta el valor de los análisis convencionales realizados en algunas muestras al utilizarlos para hacer predicciones en otras.

Francés. Le carbone organique du sol (COS) est un pilier des services écosystémiques rendus par les sols. Cependant, quantifier le COS, notamment en termes de stock (kgC.m-2 pour une couche de sol), ou caractériser les fractions qui le composent, pour mieux comprendre sa dynamique, sont souvent fastidieux et/ou coûteux. Cet article propose une vue d’ensemble présentant l’intérêt de la spectroscopie infrarouge (IR) pour quantifier à haut débit et faible coût le COS et ses fractions.De nombreux travaux montrent que la spectroscopie IR permet de quantifier précisément la concentration en COS (gC.kg-1). Dans cette approche, un modèle statistique est construit sur un jeu d’échantillons d’étalonnage pour exprimer la concentration en COS (dosée de manière conventionnelle) en fonction du spectre ; puis ce modèle est appliqué au spectre de nouveaux échantillons pour prédire leur concentration en COS. En général le domaine moyen IR (MIR, 2500-25 000 nm) permet de meilleures prédictions pour les sols des régions tempérées lorsque les spectres sont acquis sur matériau finement broyé (< 0,2 mm), tandis que le domaine proche IR (PIR, 800-2500 nm) permet de meilleures prédictions pour les sols des régions chaudes ou lorsque les spectres sont acquis sur matériau plus grossièrement préparé (< 2 mm) ou sur le terrain. En effet, les spectres peuvent être acquis en conditions de laboratoire (sur sol sec < 2 ou < 0,2 mm), mais également sur le terrain (sur carottes, sol émietté, etc.). La spectroscopie de terrain élimine les étapes de conditionnement, transport et préparation des échantillons (sauf pour l’étalonnage), mais produit des prédictions moins précises en général, du fait notamment de l’humidité variable entre échantillons. De plus, la construction d’étalonnages avec des spectres de terrain requiert jusqu’à présent des campagnes spécifiques de prélèvement et d’analyse de sol ; elle est donc beaucoup plus lourde qu’avec des spectres de laboratoire, car des collections d’échantillons secs < 2 mm déjà analysés sont souvent accessibles, sur lesquels il suffit d’acquérir des spectres pour construire des étalonnages.Des travaux récents montrent que la spectroscopie IR permet également de prédire le stock de COS, sans avoir à déterminer la densité apparente (sauf pour les étalonnages). Les prédictions sont souvent plus précises à partir de spectres de sol sec < 2 mm qu’à partir de spectres de terrain, sauf quand la teneur en éléments grossiers (> 2 mm) est élevée et varie entre échantillons. Enfin, la distribution du COS entre ses différentes fractions, par exemple granulométriques, peut être prédite à partir du spectre IR du sol total. La spectroscopie IR permet ainsi de faciliter la caractérisation du COS, et de valoriser les analyses conventionnelles réalisées sur certains échantillons en les utilisant pour des prédictions sur d’autres échantillons.