En savoir plus

M. Bruno BOUSQUET 

Université de Bordeaux 

Directeur de thèse

Mme Anne GALLET-BUDYNEK 

INRAE Bordeaux-Aquitaine 

Co-directrice de thèse

M. Vincent RODRIGUEZ 

Université de Bordeaux 

Examinateur

Mme Béatrice MARIN 

Université de Reims Champagne-Ardenne 

Examinatrice

Mme Josette EL HADDAD 

CNRC 

Examinatrice

M. Jean-Claude BOULET 

INRAE Occitanie-Montpellier 

Examinateur

M. Vincent MOTTO-ROS 

Université Claude Bernard Lyon 1 

Rapporteur

Mme Michelle SERGENT 

Université d'Aix-Marseille 

Rapporteure

Mme Laurence DENAIX 

INRAE Bordeaux-Aquitaine 

Invitée

Mots-clés :

spectroscopie de plasma induit par laser (LIBS),agronomie,sols,plantes,analyse multi-élémentaire,chimiométrie

Résumé :  

Dans un contexte de changement climatique mondial, l’optimisation de la gestion des ressources agricoles, et en particulier des éléments minéraux des sols, est devenue un enjeu majeur. Les éléments minéraux sont à la fois des ressources indispensables pour la croissance des végétaux et le stockage du carbone, des polluants potentiels de certains compartiments de l'environnement, et des contaminants potentiellement toxiques susceptibles d'être transférés depuis les végétaux jusqu'à l'homme. Les méthodes actuelles de dosage de ces éléments sont très coûteuses en temps et en argent et d’un point de vue opérationnel, il est difficile dans ces conditions de réaliser un diagnostic fréquent sur le terrain d’une situation de carence ou de contamination, ou encore de caractériser la variabilité spatio-temporelle des caractéristiques d’une parcelle agricole. L’émergence récente de capteurs et de systèmes portatifs a permis de développer de nouvelles méthodes pour mesurer les propriétés du sol et de la plante et compléter ou remplacer les techniques conventionnelles de laboratoire. C’est le cas de la LIBS, méthode de spectroscopie d’émission atomique à partir d’un plasma créé par laser, rapide et verte dans la mesure où elle ne s’appuie pas sur l’usage de réactifs chimiques dangereux. L’objectif de cette étude est d’évaluer les performances de la méthode LIBS, et plus précisément d’un instrument portable, appliquée à l’analyse multi-élémentaire quantitative d’échantillons de plantes et de sols agricoles. L’évaluation de cette méthode prend en compte la préparation des échantillons et les étapes de traitement des spectres LIBS. Elle a été mise en œuvre selon trois axes : i. La caractérisation des échantillons de plante d’espèces variées dans des conditions idéales, ii. La caractérisation des échantillons de sols représentatifs des grandes cultures françaises agricoles (blé, tournesol) toujours dans les conditions idéales et iii. L’étude de l’impact de facteurs dégradant les conditions de mesure afin d’évaluer la possibilité de mise en œuvre de la technique LIBS en dehors du laboratoire. Notre étude, basée sur l’utilisation du pistolet LIBS Z300 de SciAps, a permis de détecter les éléments C, Ca, Fe, K, Mg, Na, Si et P, concentrés dans la gamme du g/kg dans les échantillons de sols et de plantes, aussi bien en conditions de laboratoire qu’en conditions volontairement dégradées. En revanche, ni l’azote, ni les éléments Cd, Cu, Mn et Zn n’ont pu être détectés dans ces échantillons. En ce qui concerne l’analyse des échantillons de plantes, les éléments Ca, Fe, Mg, Na, et P, ont été quantifiés à l’aide de modèles de régression univariés couplés à une stratégie de normalisation adaptée. L’analyse quantitative des sols a nécessité quant à elle, l’emploi de modèles PLS, afin de prendre en compte les effets de matrice, et d’obtenir des modèles d’étalonnage satisfaisants pour les éléments Mg, Na et Fe. En ce qui concerne les analyses en conditions dégradées, nous avons établi, à l’aide d’un plan d’expériences, que le taux d’humidité, supérieur à 40% dans les plantes et à 20% dans les sols était l’un des principaux freins aux analyses LIBS de terrain. Nous avons aussi montré que la baisse de signal LIBS observée lorsque le taux d’humidité augmente pouvait être corrigée en appliquant une étape de normalisation. Le bilan de notre étude est partiellement satisfaisant sur le plan des performances quantitatives des modèles de régression, y compris dans les conditions idéales de laboratoire. La diversité des conditions physico-chimiques rencontrées sur le terrain fait que les analyses LIBS directes ne sont clairement pas réalistes. Le principe d’un laboratoire de campagne, avec une préparation simplifiée des échantillons, pourrait cependant être envisagé, afin de pouvoir placer la technique LIBS au cœur de nouvelles stratégies d’échantillonnage dans le contexte de l’agriculture de précision.