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Justification du choix de la technique du 137Cs
Il existe des modèles pour estimer l’érosion du sol. Pour les parcelles (surface de quelques m²), nous avons les modèles USLE (en anglais, Universal Soil Loss Estimation), RUSLE, Erosion 3D, Eurosem (European Soil Erosion Model), AGNPS (AGricultural Non-Point Source), etc. qui sont destinés pour les échelles de parcelle. Il y avait aussi des
méthodes indirectes comme la détermination des dépôts de sédiment dans les bassins versants. Mais ces méthodes sont utilisées seulement pour le calcul à l’intérieur du champ. A part ces modèles, l’utilisation des techniques nucléaires a été développée.
Pour la technique de retombée des radionucléides,le 7Be, le et le 137Cs sont utilisés comme radiotraceurs. La demi-vie du 7Be est de 53 jours. La technique du 7Be a été utilisée pour les études à court terme (estimation de taux d’érosion/déposition moins de 6 mois) (Mabit et al., 2008). Elle était pratiquée essentiellement avec des événements de pluie.
La demi-vie du 210Pb est de 22,3 ans. La technique du estimerait les taux d’érosion/déposition durant les cent à cent cinquante dernières années (événements à long terme). Cette technique nécessite des équipements tedes matériels performants pour faire les études (radionucléide en basse énergie: 46,5 keV)Par. contre, la technique du 137Cs donnerait les estimations des taux d’érosion/déposition à moyen terme (aux environs des 40 ou 50 dernières années) (Zapata et al., 2002). La demi-vie du 137Cs est de 30,2 ans. Beaucoup de laboratoires (de recherche) sont arrivés à le détecter facilement.
Depuis 1960, le 137Cs est utilisé comme traceur dans le sol. C’étaientRogowski et Tamura (1965, 1970) qui ont ajouté le radionucléide 137Cs comme le traceur de l’érosion/déposition du sol dans les parcelles et ont suivi son mouvement par la mesure du mouvement (ou de la direction) de ruissellement.
La simplicité de cette technique par rapport aux autres techniques déjà citées ci-dessus a favorisé le choix de son utilisation dans cette étude.
A Madagascar, la Commune Rurale de Sambaina est l’une des communes pilotes pour le développement. Les terrains (ou terres agriculturales) n’échapperont pas au risque d’érosion. Or, l’agriculture est une puissance majeure de cette Commune. La perte en sol pourrait avoir des conséquences néfastes sur la production agricole. Alors, l’utilisation de la technique du 137Cs pourrait aider la population, les chercheurs et les décideurs pour lutter contre l’érosion. Et, il y a la nécessité de faire cette étude.
Problématique de recherche
Plusieurs méthodes sont utilisées pour quantifier les taux d’érosion/déposition, à Madagascar comme à l’étranger. Chaque méthode présente des avantages et des limites. Ces deux points différencient leur faisabilité et leurpratique.
L’efficacité d’une méthode ou d’une technique utilisée dans l’étude de l’érosion et de déposition du sol dépend de plusieurs paramètres àsavoir le coût des études, la facilité de manipulation, la rapidité sur l’obtention de résulta s, etc.
Le 137Cs est une nouvelle technique nucléaire à Madagascar. Mais, peut-on utiliser cette technique dans l’étude de l’érosion/dépositiodu sol aux Hautes Terres de Madagascar? C’est ce problème méthodologique que nous allons essayer de résoudre.
En effet, les objectifs de ce travail sont d’avoir les données sur l’inventaire du137Cs pour quantifier les taux d’érosion/déposition et devérifier la faisabilité de la technique.
Erosion et déposition du sol
Mutchler et al. (1994) et Loughran (1989) ont déjà signalé que les mesures de l’érosion du sol distribuées spatialement sur le terrain ou la déposition de sédiment dans les lacs, les réservoirs et les bassins versant sont difficiles. Ceci vient du fait qu’on a besoin de temps, de capital et de travaux de labour intensifs en utilisant les techniques classiques. La recherche des méthodes simples, faciles et moins chères est lorsa lancée.
Pour estimer l’érosion du sol, plusieurs équationset/ou modèles empiriques et des théories mathématiques ont été développées. La plusutilisée est l’équation universelle de perte en sol (Universal Soil Loss Equation: USLE) (Wischmeier and Smith, 1965). Pour améliorer les conditions et les performances par rapport à l’équation originale, la RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation) a été introduite (Renard et al., 1991 ; 1997). L’utilisation des radionucléides a attiré l’attention des chercheurs en tant que techniques alternatives ou complémentaires aux différentes méthodes existantes (Zapata et al., 2002).
Utilisation de radionucléide comme traceur: le 137Cs
Le 137Cs est l’un des radiotraceurs utilisés dans la technique de retombée des radionucléides (en anglais, fallout radionuclides: FRNs), à savoir le 137Cs, le 210Pbex et le 7Be (Zapata et al., 2002). Son origine est exclusivement anthropique par les essais atmosphériques et les accidents nucléaires, entre 1945 et 1980. Le137Cs est un élément radioactif qui s’intègre aux cycles biologiques (Lucot et al., IPSN, 2001).
Sa demi-vie est de 30,2 ans, et permettra d’estimer le taux d’érosion/déposition d’un site à moyen terme (40 à 50 ans passés) (Zapata et al., 2002, Basher, 2000, Walling et He, 1999a, Ritchie et McHenry, 1990).
Durant les cinquante dernières années, la potentialité de la pratique des radioisotopes naturels et artificiels pour l’étude de l’érosion t ede la sédimentation a attiré beaucoup d’attention. D’après Ritchie et McHenry (1990), Walling (1998), Walling et al. (1999), Walling et He (1999a, b), Zapata et García-Agudo (2009), la retombée du 137Cs est l’un des radionucléides qui ont été utilisés pour fournirslemesures indépendantes des taux d’érosion du sol et de déposition du sédiment et ainsi que des modèles.
A partir des essais et des explosions nucléaires dans les années 1950 et 1960, le 137Cs dans l’atmosphère est l’unique traceur pour l’érosion et la sédimentation, car il n’y a pas de sources naturelles du 137Cs dans l’environnement. Selon Playford et al. (1993), Cambray et al. (1989) et Carter et Moghissi (1977), le 137Cs est totalement distribué au monde entier. La déposition est affectée par le taux de précipitation et le nombre de sites des essais d’explosions nucléaires chaque année (Davs, 1963). La retombéeud137Cs a commencé en 1954, a donné un pic entre 1963 et 1964 et a décru à partir de ce maximum.
La chimie du 137Cs est bien connue (Schultz et al., 1960, Davis, 1963, Robbins, 1978, Wallbrink and Murray, 1994). Quand il prend contact avec la surface du sol, il est rapidement et fortement absorbé dans les sites d’échange et est essentiellement non-échangeable dans la plupart des environnements (Tamura, 1964, Cremers et al., 1988, Robbins, 1978, Olsen et al., 1986). Les activités physiques de l’eau et de l’airsont les facteurs dominants pour le déplacement du marqueur de 137Cs. Des particules de sol ont un rôle important ave c les compartiments du paysage. La mesure de ce radionucléide dans l’environnement est vraiment facile (Ritchie and McHenry, 1973, Walling et Quine, 1993, Joshi, 1987, Murray et al., 1987). Sa signature dans les particules de sol sur le paysage donne les informations en moyen terme de taux (aux environs des 40 ans). Elle présente letaux moyen de la redistribution du sol et son modèle (Ritchie et McHenry, 1990, Walling et He, 1999a).
Technique du 137Cs
Après les études effectuées par Menzel (1960), Fre et Roberts (1963) et Graham (1963), Rogowski et Tamura (1965, 1970a, b) et Dahlamn et Auerbach (1968) ont ajouté le 137Cs comme traceur aux parcelles d’érosion et ont suivi son mouvement par les mesures du ruissellement, la perte en sol et la perte en 137Cs dans le canal à l’aval de la parcelle. Toutes ces études ont montré la relation en fonction exponentielle entre le sol et la perte en 137Cs. On a conclu que le mouvement du 137Cs dans le paysage était relié au mouvement du solet pouvait être utilisé pour estimer les modèles de distributionre du sol. Ritchie et McHenry (1975) ont combiné leurs données avec les études écédentespr pour confirmer cette relation. McHenry et Ritchie (1977) ont montré que les modèles spatiaux sur la distribution du 137Cs dans un champ peuvent être utilisés pour déterminerles zones de perte nette (ou érosion) et les zones de gain net (ou déposition) dans un élément du paysage. L’évaluation de la redistribution du137Cs est basée sur la comparaison des inventaires mesurés aux points d’échantillonnage individuels avec l’estimation équivalente à l’inventaire représentant l’entrée cumulative de retombée atmosphérique dans le site, en tenant compte des comportements différents des sols cultivés et non-ultivésc. Ici, on appelle inventaire: l’activité totale par unité de surface. Or les mesures directes à long terme de retombée atmosphérique sont rarement disponibles. En général, l’inventairede flux cumulatif (input) ou de référence est établi par l’échantillonnage adjacent aux sitestables où n’ont jamais eu lieu ni érosion, ni déposition.
Si les inventaires des échantillons sont inférieurs à celui de la référence locale, la perte du marquage de 137Cs aura lieu. Donc l’érosion pourrait avoir lieu.
Par contre, si les inventaires des échantillons sont supérieurs par rapport à celui de la référence locale, l’addition du marquage de Cs aurait lieu. Donc la déposition pourrait en être déduite (cf. Walling et Quine, 1993, Wallingt eHe, 1999a).
Méthodes de retombée de radionucléides
Pour les études de l’érosion/déposition de sol utilisant la technique de la retombée de radionucléides, quelques principes devraient être uivis. L’élaboration d’un programme d’échantillonnage dans le champ est un point critique pour le succès de l’application du Cs et les techniques des radionucléides associées. Engénéral, les différents agents de l’érosion et de l’eau peuvent être catégorisés sur la base où ruissellement est concentré ou non- concentré. Les procédures d’érosion non-concentrée(ou érosion en nappe) sont les meilleures pour la technique du Cs (Pennock et Appleby, 2002). Pour les études de l’érosion utilisant la technique du Cs, le choix des sites devrait être fait.
Avant de faire les études, la reconnaissance des lieux doit être effectuée. Pour ce faire, trois étapes seront réalisées. Premièrement, il y la collecte des informations de base sur l’environnement et le côté socio-économique locaux .Deuxièmement, l’information sur les conditions environnementales et les pratiques de la culture qui contrôlent les processus d’érosion/sédimentation présents dans la zone, devrait être effectuée. Troisièmement, la visite de champ et l’échantillonnage préliminaire devraient être faits pour déterminer l’endroit où les sites de référence existent et pour obtenir les estimations préliminaires des inventaires du 137Cs et la distribution dans la zone d’étude (Pennocket Appleby, 2002).
Compilation de l’information de base
D’après Pennock et Appleby (2002), la compilation de l’information de base prend place en utilisant la littérature existante et les rapports gouvernementaux. Compte tenu de la grande diversité des environnements globaux, l’absence de la liste unique peut être généralisée. Le minimum de données devra être recueilli.
Conditions climatiques
Pour les conditions climatiques, les données pluviométriques (moyenne mensuelle, si possible) dans les stations météorologiques les plus proches, les températures (minimum et maximum mensuelles, si possible) et les incidences des événements extrêmes (les inondations, les sécheresses, les cyclones, etc.) doivent être mentionnées dans l’information.
Géomorphologie
Pour la géomorphologie de la région, on doit se documenter et faire des investigations sur la texture et la literie, les types de relief, la durée des intempéries, la décharge annuelle et la saisonnalité des flux dans les systèmes fluviaux. En plus, les taxons de sol et la distribution de la caténaire des sols doivent être connus, avecles limites de la propriété du sol pour la production végétale.
Utilisation des terres
Le changement dans l’utilisation des terres après les années 1950, la durée des pratiques courantes de l’utilisation des terres, la fréquence et le type des opérations de labour doivent être investigués. Les informations sur la estiong de résidus, les taux de charge ou l’intensité des systèmes des pâturages, et les types des pratiques de la conservation du sol utilisés doivent être aussi collectées.
Le concept-clé est que tous les facteurs ayant desconséquences sur l’effet des régimes érosion ou de sédimentation dans la zone d’étude doivent être consultés.
Reconnaissance des lieux de la zone d’étude
Le but principal de la reconnaissance des lieux est de sélectionner les sites spécifiques qui doivent être utilisés dans le programme principal d’échantillonnage. La compilation des informations de base produit les informations générales pour la région d’étude (Pennock et Appleby, 2002). Les paragraphes suivants présententquelques étapes à suivre.
Sélection des sites de référence
La bonne sélection des sites de référence est essentielle pour le succès de la mise en œuvre de la technique. Pendant la visite sur terrai n (ou aussi descente), la présence des sites de référence possibles doit être évaluée. Sinontechniquela du 137Cs peut donner seulement des mesures relatives de la redistribution du sol dans le paysage (Walling et al., 1996).
Pratiques d’utilisation et de gestion de terre
Les pratiques d’utilisation et de gestion de terre spécifiques utilisées peuvent être évaluées à travers les discussions avec les propriétaires. Les informations sur les types de pratiques de gestion de terre et les changements de l’utilisation de terre après les années 1950 devraient être documentées (Pennock et Appleby, 2002). D’après Forsyth (1994), pour les connaissances acquises à partir de la technique du 137Cs pour être utile à la planification de la conservation, le contexte socio-économique pour lespratiques d’utilisation des terres utilisées dans la région doit être compris.
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Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE 1: PARTIE INTRODUCTIVE
Chapitre 1: Erosion du sol
1.1. Définitions
1.2. Différents types d’érosion
1.2.1. Erosion hydrique
1.2.2. Erosion éolienne
Remarque sur le lavaka
Chapitre 2: Approche du problème
2.1. Contexte
2.2. Justification du choix de la technique du 137Cs
2.3. Problématique de recherche
PARTIE 2: PARTIE METHODOLOGIQUE
Chapitre 3: Méthodes utilisées
3. 1. Généralités
3. 1.1. Erosion et déposition du sol
3. 1. 2. Utilisation de radionucléide comme traceur: le 137Cs
3. 1. 3. Technique du 137Cs
3. 2. Méthodes de retombée de radionucléides
3.2.1. Compilation de l’information de base
3.2.1.1. Conditions climatiques
3.2.1.2. Géomorphologie
3.2.1.3. Utilisation des terres
3.2.2. Reconnaissance des lieux de la zone d’étude
3.2.2.1. Sélection des sites de référence
3.2.2.2. Pratiques d’utilisation et de gestion de terre
3.2.2.3. Reliefs
3.2.2.4. Sols
3.2.3. Site de référence
3.2.4. Plan d’échantillonnage
3.2.5. Méthode d’échantillonnage et traitement des échantillons
3.2.5.1. Prélèvement des échantillons
3.2.5.2. Traitement des échantillons
3.2.6. Analyse des échantillons
3.3. Distribution spatiale du 137Cs
3.3.1. Détermination de l’inventaire de référence
3.3.2. Etablissement des structures du 137Cs sur le terrain
Chapitre 4. Modèles de conversion
4.1. Généralités
4. 2. Modèles de conversion pour les champs cultivés
4. 2.1. Modèle proportionnel
4. 2. 2. Modèles bilan de masse
4. 2. 2. 1. Modèle bilan de masse simplifié
4. 2. 2. 2. Modèle bilan de masse amélioré
4. 2. 2. 3. Modèle bilan de masse tenant compte la redistribution du sol par le labour
4. 3. Modèles de conversion pour les champs non-cultivés
4. 3. 1. Modèle de distribution en profil
4. 3. 2. Modèle de diffusion et de migration
4.4. Utilisation du modèle pour étudier l’érosion du sol
PARTIE 3: ETUDES
Chapitre 5: Travaux
5.1. Détermination des sites
5.1.1. Sites et prélèvement d’échantillons
5.2. Mode de prélèvement et préparation d’échantillons
5.2.1. Prélèvement
5.2.2. Protocoles d’échantillonnage
5.2.3. Préparation des échantillons
5.2.4. Analyse des échantillons
5.3. Résultats et traitements des données
5. 3. 1. Activités spécifiques du 137Cs
5. 3. 2. Profils de chaque site
5. 3. 3. Utilisation des modèles de conversion
5. 3. 3.1. Modèle proportionnel
5. 3. 3.2. Modèle bilan de masse 1
5. 3. 3.3. Modèle bilan de masse 2
5. 3. 3.4. Modèle bilan de masse 3
Chapitre 6: Analyses des données
6.1. Site d’étude en terrasse
6.2. Site d’étude en pente
6.3. Discussions
Chapitre 7: Faisabilité de la technique du 137Cs
7.1. Applications des modèles
7.1.1. Modèle proportionnel
7.1.2. Modèle bilan de masse 1
7.1.3. Modèle bilan de masse 2
Conclusion partielle
7.2. Avantages et limites de la technique du 137Cs
7.2.1. Avantages de la technique du 137Cs
7.2.2. Limites de la technique du 137Cs
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE
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