Thématiques

La thématique 1 se centre plus spécifiquement sur la partie « sol - zone non saturée - zone saturée », avec l’objectif d’approcher et d’imager au mieux le caractère complexe et hétérogène de ce milieu. Les échelles concernées vont de l’espace poral (plus ou moins impacté par l’activité biologique) jusqu’à des échelles plus grandes qui interviennent dans les écoulements globaux et la recharge des aquifères. De manière plus spécifique, nous cherchons à « Identifier, Caractériser, et Modéliser » les milieux complexes par des méthodes non invasives pour des domaines non accessibles à la mesure directe. L’UMR s’intéresse plus particulièrement aux propriétés physiques (électromagnétique, mécanique) qui permettent de décrire la structure solide et le contenu hydrique des milieux à des échelles d’intérêt diverses. Nos recherches portent sur trois défis scientifiques principaux :

• Explorer de nouvelles approches en combinant différentes physiques (électromagnétisme, mécanique) pour gagner en précision et en fiabilité (temps de vol, ondes de surface, libre parcours moyen, FWI) dans la reconstruction des cartographies de propriétés des milieux.
• Développer et améliorer la mesure à partir d’appareillages géophysiques non invasifs existants (GPR, ERT, sismique haute résolution) ou en développement (interférométrie optique, boucle hectométrique low-cost). Ces approches sont transposables à différentes échelles, du laboratoire au massif géologique.
• Élargir et optimiser les méthodes d’inversion en couplant notamment de l’inversion électromagnétique et de l’inversion mécanique pour intégrer davantage d’informations via l’utilisation de relations pétrophysiques élaborées.

Le contexte de la transition agroécologique nous amène à considérer des couverts végétaux de complexité croissante alors que l'étude des territoires nécessite de prendre en compte un grand nombre d’espèces et de variétés pour couvrir de manière exhaustive l’ensemble des parcelles agricoles. Il y a donc un enjeu à disposer de méthodes de caractérisation des couverts végétaux qui puissent être implémentées dans un grand nombre de cas et de conditions environnementales, sur les grandes cultures, les cultures pérennes comme sur les couverts complexes (ex. agroforesterie, association de cultures). Il s’agit notamment de caractériser des traits morphologiques, biochimiques, phénologiques et fonctionnels des plantes cultivées. La caractérisation de ces traits, que l’on peut qualifier au sens large de phénotypage, peut s’intégrer dans de nombreuses applications telles que la sélection variétale ou la modélisation du fonctionnement du territoire. En revanche, les méthodes traditionnelles de caractérisation sont coûteuses en mesures manuelle. Ainsi, il est important de développer des méthodes automatisées, non destructives et à haut-débit. Celles-ci peuvent s’appuyer sur des observations en utilisant la télédétection satellitale à large échelle et la proxidétection (observations réalisées à proximité des cibles à caractériser, par des capteurs embarqués par exemple sur un piquet connecté ou un drone) à plus petite échelle.

Nos recherches portent sur trois défis scientifiques :

• Développer des méthodes robustes de phénotypage pour accéder à plus de traits morphologiques (aériens et racinaires), biochimiques ou phénologiques sur les grandes cultures et des couverts plus complexes .
• Développer des approches de phénotypage fonctionnel. Il s’agit de déterminer, pour une espèce ou une variété de plante, les paramètres clés de fonctions écophysiologiques intégrées dans des modèles de fonctionnement des cultures. Ces paramètres décrivent, par exemple, la sensibilité de la production de la biomasse à la température ou au stress hydrique.
• Exploiter les synergies entre différents outils de proxi et télédétection (complémentarité des capteurs, résolutions spatiale et temporelle) pour mieux appréhender les interactions plantes-environnement.

La qualité des sols peut être définie comme leur capacité à fournir des services écosystémiques. Ceux-ci sont fortement influencés par l’activité biologique des sols qui modifie leurs propriétés de transferts, leur capacité de rétention et les prélèvements par les plantes d’eau et de nutriments. Dans le contexte du changement global et plus particulièrement du changement climatique, il y a un enjeu fort à maintenir, voire restaurer la qualité des sols. Dans ce champ de recherche, l’UMR EMMAH se positionne sur la description, la compréhension et la modélisation des relations entre le vivant (racines/rhizosphère, invertébrés, communautés microbiennes) et les processus de transferts de masse dans le sol. Un des objectifs appliqués est de concevoir, proposer et évaluer, à travers d’indicateurs (infiltrabilité des sols, capacité de rétention, capacité de prélèvement racinaire…), des pratiques agroécologiques qui soient mobilisables dans le cadre d’initiatives en ingénierie écologique et de solutions fondées sur la nature, pour promouvoir la qualité des sols et de l’eau en favorisant la biodiversité.

Les travaux de l’UMR se concentrent sur les défis scientifiques suivants :

• Caractériser le sol et ses évolutions, avec la définition d’indicateurs pertinents pour l’étude de la dynamique des changements physiques du sol et des processus qui s’y déroulent (écoulement/rétention de l’eau), sous l’action des organismes vivants et des racines soumis aux changements climatiques et aux pratiques (ex. apports de matière organique, diminution des traitements phytosanitaires, cultures de couverture) dans le cadre de la transition agroécologique.
• Prendre en compte l’espace poral dans les modèles de transferts et de rétention de l’eau dans les sols à différentes échelles (du pore (µm) à l’entité homogène dans le paysage (km²)) en étudiant notamment la partition entre écoulements préférentiels et les transferts diffusifs.
• Intégrer dans les modèles de transfert la dynamique de la porosité induite par l’activité biologique.

La parcelle agricole et le territoire sont des niveaux d’organisation important pour aborder la problématique des changements globaux puisqu’ils représentent des niveaux d’intervention pertinents pour mettre en œuvre des mesures d’adaptation. Une représentation de la production agricole en relation avec les contraintes du milieu, telles que les ressources hydriques, le sol, le climat et les pratiques agricoles, doit permettre d’appuyer les nécessaires concertations entre les acteurs du territoire qui peuvent avoir des intérêts parfois divergents. Ainsi les modèles développés dans l’UMR peuvent être utilisés pour analyser des scénarios futurs, élaborer des options de gestion agricole durable pour s’adapter aux changements globaux ou être intégrés dans des outils d’aide à la décision. Par ailleurs, les mesures d’adaptation aux changements globaux intégreront des pratiques agroécologiques qu’il est nécessaire de pouvoir représenter dans les modèles. L’échelle du territoire questionne la recherche sur des sujets comme la représentation de la diversité des situations (pratiques agricoles, conditions environnementales) et ceci avec des informations bien souvent limitées pour caractériser de manière exhaustive toutes les entités spatiales à considérer. Comprendre le déterminisme et scénariser l’évolution des territoires doit permettre de mieux accompagner et suivre les mesures d’adaptation et leur impact sur la gestion des ressources et la production végétale.

Les travaux de l’UMR se concentrent sur les défis scientifiques suivants :

• Caractériser les cultures, les ressources (eau sols), le climat et les pratiques agricoles (notamment l’irrigation) sur l’ensemble du territoire en s’appuyant sur différentes sources d’informations spatialisées telles que la télédétection, les bases de données environnementales (sol, climat, topographie) et administratives.
• Modéliser les besoins en eau et les stress hydriques des cultures (notamment pérennes) sur l’ensemble du territoire avec un focus sur le développement de modèles de cultures en plantes pérennes (notamment vergers). Ces modèles devront prendre en compte des pratiques agroécologiques (cultures associées, gestion de la biodiversité, gestion de la fertilisation organique…), les relations stress/production et représenter les flux d’eau à la base du sol pour appréhender la recharge des aquifères.
• Développer des stratégies d’adaptation aux changement globaux à plusieurs échelles (parcelle, territoire) pour faire face aux tensions sur l’eau. On travaillera notamment sur le choix des cultures et les pratiques pour un usage efficient et partagé de la ressource en eau d’irrigation à l’échelle du territoire.
• Estimer l’impact des systèmes de cultures sur les mécanismes de recharge.

La thématique 5 se focalise sur la dynamique de l’eau au sein des hydrosystèmes souterrains et leurs interactions avec les flux de surface. Plus grande réserve d'eau douce du globe, les eaux souterraines jouent un rôle central pour le maintien des écosystèmes et l'adaptation de l'homme aux changements globaux. L'importance stratégique des eaux souterraines pour l'approvisionnement en eau s'intensifie car les extrêmes climatiques (sécheresses et inondations) augmentent la variabilité des précipitations et les écoulements de surface tout en limitant l’infiltration de l’eau vers les aquifères. L’accroissement des pressions sur les ressources en eaux souterraines est un enjeu scientifique, environnemental et sociétal majeur mais des solutions innovantes de gestion durable de ces réserves vitales ne pourront être apportées sans une compréhension améliorée de la structure et du fonctionnement des hydrosystèmes souterrains ainsi que de leurs mécanismes de recharge.

Les défis scientifiques qui structurent la thématique sont :

• Comment peut-on améliorer la caractérisation et la compréhension des processus de recharge des hydrosystèmes souterrains ? Le sol et les écosystèmes associés jouent un rôle clé dans la partition des flux d’eau entre ruissellement, recharge et évapotranspiration. Nous cherchons à comprendre comment les propriétés des écosystèmes, leur gestion et l’évolution des régimes pluviométriques influencent cette partition. D’un point de vue méthodologique nous nous appuyons nos développements sur le développement instrumental in situ, le traçage (isotopique et géochimique), la géophysique et la télédétection.
• Quel est le fonctionnement interne des hydrosystèmes souterrains ? Cela nécessite en tout premier lieu de caractériser et modéliser la structure géologique des aquifères puis d’évaluer ses propriétés de fonctionnement : distributions spatio-temporelles des stocks d’eau (inerte – actifs), interactions eau-roche, modifications de la matrice, évolution des paramètres hydrodynamiques, et distribution des temps de résidence de l’eau.
• Modélisation des hydrosystèmes souterrains : Pour synthétiser les données et produire des outils de simulation, nous développons des modèles hydrodynamiques qui tiennent compte des spécificités des différents types d’aquifères (poreux, fracturés, karstifiés) et des interactions avec les flux de surface. La paramétrisation de ces modèles ainsi que leur évaluation est un champ important de nos travaux avec la volonté notamment de mieux contraindre le système par une connaissance des conditions limites (recharge, échanges nappe rivière) ou le traçage.