Surtout, la dégradation des sols nuit à l'agriculture au point de rendre toute culture impossible. Ceci représente une menace pour la sécurité alimentaire. Il est donc essentiel d'agir au plus vite sur les sols dégradés afin de parvenir à une agriculture durable.

Le tsunami consécutif au séisme de 2011 dans l'est du Japon a causé d'importants dégâts aux terres agricoles japonaises. L'intrusion d'eau de mer a suscité des inquiétudes quant aux dommages causés aux cultures par le sel. C'est pourquoi, dans le cadre du plan de reconstruction, des travaux de dessalement ont été entrepris sur les terres agricoles sinistrées. Un test pilote a également été mené afin de surveiller la salinité des sols après le dessalement, grâce à des capteurs. Quel est le potentiel des technologies de détection pour l'agriculture ? Nous avons interrogé Hitoshi Kanno, ancien professeur associé à l'École doctorale de l'Université de Tohoku, pour un aperçu des travaux de dessalement et de l'utilisation des technologies de détection dans l'agriculture intelligente.

Quels sont les dommages que le réchauffement climatique cause aux sols et aux produits agricoles ?

On dit que la salinité nuit gravement à l'agriculture. Quelle est l'importance du sol pour l'agriculture ?

Certains sols sont propices à la culture, d'autres non. Même lorsqu'on parle simplement de « sol propice à la culture », plusieurs facteurs doivent être pris en compte. Sur le plan physique, par exemple, il est important que le sol soit bien drainé et que la croissance des racines ne soit pas entravée. De plus, sur le plan chimique, il est essentiel qu'il puisse fournir adéquatement les nutriments nécessaires aux cultures. Enfin, la diversité des micro-organismes et autres organismes vivants est cruciale pour éviter les déséquilibres des propriétés du sol et garantir que seuls certains pathogènes puissent proliférer.

En réalité, catégoriser les sols de cette manière n'est pas simple. Les propriétés des sols adaptés à l'agriculture varient selon leur usage prévu.

-- Veuillez nous indiquer le type de recherches que vous menez précisément dans votre spécialité, la science du sol.

La science du sol est une discipline qui encourage la recherche sur la formation, la composition et les caractéristiques des sols, ainsi que sur leur utilisation. Ma spécialité est la science de la fertilisation des sols. Mes recherches portent principalement sur l'influence des interactions entre le sol et les cultures sur la croissance des plantes et l'absorption des nutriments.

Le changement climatique se propage à l'échelle mondiale en raison des effets du réchauffement planétaire. Dans ce contexte, quels problèmes la science du sol doit-elle affronter ?

Au Japon, les dégâts causés par les fortes pluies et autres phénomènes météorologiques extrêmes sont souvent attribués au réchauffement climatique. Cependant, dans d'autres régions du monde, la diminution des précipitations due aux changements climatiques s'inquiète également. L'accumulation de sel dans les sols et les dommages qui en résultent pour les cultures constituent des problèmes majeurs dans ces zones.

Pourquoi le sel endommage-t-il les tissus alors qu'il pleut peu ?

Dans les régions humides, où il pleut toute l'année, les précipitations sont supérieures à l'évaporation de l'eau à la surface du sol. Le sel a donc moins de chances de s'y accumuler. En revanche, dans les régions semi-arides, la quantité d'eau souterraine qui remonte à la surface puis s'évapore est supérieure aux précipitations. Par conséquent, le sel contenu dans l'eau souterraine reste près de la surface du sol (accumulation de sel), ce qui provoque des dégâts aux cultures. Une irrigation inadéquate peut également entraîner une accumulation de sel dans les terres agricoles.

Lorsque le sel endommage le sol, ses propriétés se modifient. Cela affecte également la croissance des produits agricoles.

Les principaux effets néfastes du sel sur les produits agricoles sont l'inhibition de l'absorption d'humidité et une perturbation importante de l'équilibre des nutriments due à l'accumulation de sel dans le sol. Par conséquent, les cultures ne peuvent absorber correctement les nutriments nécessaires.

Les propriétés physiques et biologiques du sol peuvent également être affectées. Par conséquent, si du sel s'accumule, le sol devient impropre à la culture.

Utilisation de capteurs de sol pour évaluer les dommages causés par le sel dans les zones touchées par le tsunami suite au grand tremblement de terre de l'est du Japon

-- Les terres agricoles situées principalement le long de la côte de l'océan Pacifique dans la région de Tohoku ont été gravement endommagées par le tsunami résultant du grand tremblement de terre de l'est du Japon en 2011. Outre les dommages causés par la destruction des installations d'irrigation et de drainage, l'afflux de débris étrangers tels que des gravats et le ruissellement des sols, on craignait fortement que la production agricole ne soit affectée par l'intrusion d'eau de mer (dommages salins) (Photo 1).

Photo 1 : Sol d'une rizière où l'érosion et l'accumulation de sel se sont produites en raison du tsunami résultant du grand tremblement de terre de l'est du Japon.

Il s'agit d'un cas extrêmement rare au Japon de dégâts causés par l'intrusion d'eau de mer sur une vaste zone. La salinité des sols a temporairement augmenté, rendant toute culture impossible. Par conséquent, d'importants travaux de dessalement ont été entrepris dans le cadre d'un projet de gestion de la catastrophe afin de permettre à l'eau douce de s'infiltrer et de lessiver le sel du sous-sol.

La méthode de base pour l'irrigation des rizières consistait à attendre quelques jours après l'arrosage pour que le niveau d'eau baisse, puis à mesurer la salinité du sol avant d'ajouter de l'eau si celle-ci restait trop élevée. Cette méthode permettait de réduire la salinité du sol à un niveau (valeur standard) acceptable pour la production de riz.

Les travaux de dessalement ont été menés principalement sur trois ans, à partir de 2011, dans le cadre d'un projet de reconstruction après la catastrophe. La première année a été consacrée aux régions intérieures touchées par l'intrusion d'eau de mer. Les deuxième et troisième années ont ensuite porté sur les régions côtières gravement endommagées par le tsunami. Au final, le dessalement a été achevé dans près de 99 % des zones sinistrées.

Des capteurs de sol ont été utilisés pour mesurer la salinité au fil du temps dans les terres agricoles après le dessalement, n'est-ce pas ?

L'Université de Tohoku et Murata Manufacturing ont mené conjointement une expérience de démonstration de capteurs multimodaux sur des terres agricoles sinistrées par le tsunami en 2013, deux ans après le séisme. Dans le cadre de cette expérience, des agriculteurs de trois zones sinistrées de la préfecture de Miyagi ont été invités à effectuer un suivi en insérant des capteurs de sol dans certaines de leurs rizières où des travaux de dessalement avaient été réalisés. Les capteurs ont été enfouis à des profondeurs respectives de 10 cm, 20 cm et 30 cm, en plusieurs points de la rizière après la plantation. L'expérience s'est ensuite poursuivie grâce à un système de surveillance environnementale sans fil qui a continué à collecter des données par communication sans fil tout au long de la saison de croissance.

Les capteurs de sol utilisés lors de l'expérience de démonstration permettent de mesurer simultanément la température et la conductivité électrique du sol*1. Il s'agit d'un capteur de sol multimodal*2. Plus la teneur en sel du sol est élevée, plus le courant électrique y circule facilement. Forts de cette observation, nous avons utilisé les valeurs de conductivité électrique mesurées comme indicateur de la salinité du sol et avons ensuite suivi leur évolution.

*1 : Ceci fait référence à la conductivité électrique. Elle indique la facilité avec laquelle l’électricité circule. Son unité est le siemens par mètre (S/m). Le courant varie également en fonction de la concentration en ions dans l’humidité du sol. Il constitue donc un indicateur de salinité.

*2 : Ce système permet le traitement simultané de plusieurs points de données. Dans cette expérience de démonstration, des capteurs multimodaux intégrant des fonctions de mesure de température et de conductivité électrique ont été utilisés.

-- Veuillez nous indiquer précisément comment vous avez mesuré les variations de salinité à l'aide de capteurs de sol dans l'expérience de démonstration.

Initialement, les données de température et de conductivité électrique (CE) du sol, mesurées toutes les 30 minutes par des capteurs de sol, étaient transmises sans fil à l'unité de base du système de surveillance environnementale sans fil installé à proximité des rizières, puis enregistrées sur une carte mémoire. Nous nous rendions dans les rizières toutes les deux semaines pour récupérer ces cartes. Les données étaient ensuite importées sur un ordinateur afin d'observer l'évolution des valeurs numériques. Par ailleurs, lors de la récupération des cartes mémoire, nous mesurions la CE du sol par une méthode conventionnelle, à partir d'échantillons prélevés à chaque profondeur. Ces échantillons étaient prélevés à l'aide de tarières placées autour des zones où étaient implantés les capteurs de sol. Ces mesures étaient ensuite comparées aux valeurs de CE issues des capteurs de sol (Photo 2).

Photo 2 : Système de surveillance environnementale sans fil qui collecte sans fil des données provenant de capteurs de sol [En haut à gauche : capteur de sol multimodal / En haut à droite : module sans fil de l'unité d'extension installée dans la rizière testée (trois de ces capteurs sont intégrés dans le sol puis connectés par câble) / En bas à droite : capteurs intégrés dans le sol / En bas à gauche : unité de base sur la crête de la rizière].

— Quelles possibilités d'utilisation des capteurs avez-vous découvertes grâce à cette expérience de démonstration ?

Grâce à des capteurs de sol et à un système de surveillance environnementale sans fil, nous pouvons recueillir simultanément et en continu des données variées provenant de multiples points. Cela nous permet également d'analyser les facteurs environnementaux à l'origine des fluctuations, ainsi que les variations de salinité à chaque emplacement et à chaque profondeur. Je pense, par exemple, qu'il sera possible d'observer avec précision les risques de dommages liés au sel, dus à l'impact et aux autres effets des variations météorologiques et des pratiques agricoles, comme après une pluie ou lors du drainage d'une rizière en vue de la récolte. Heureusement, nous n'avons observé aucune augmentation problématique de la salinité pendant la saison de croissance dans les rizières utilisées pour cette expérience de démonstration.

Le défi de l'utilisation des capteurs dans l'agriculture intelligente : relier les données aux actifs passés

— Que pensez-vous de l’importance des technologies de détection dans l’agriculture intelligente du futur ?

L'obtention de données en continu toutes les 30 minutes lors de l'expérience de démonstration de 2013 a été une nouveauté pour moi. La méthode conventionnelle de mesure de la conductivité électrique du sol consistait à mesurer la conductivité électrique de la suspension aqueuse dans l'échantillon de sol prélevé. Nous devions nous rendre sur le site de mesure à chaque prélèvement. La fréquence des mesures était hebdomadaire ou mensuelle. Sans capteurs, il était impossible de mesurer le sol en continu. Autrement dit, l'utilisation de capteurs facilite l'obtention d'une grande quantité de données agricoles. Je suis convaincu que cela sera extrêmement important pour l'agriculture intelligente de demain.

Cependant, la méthode de mesure de la conductivité électrique (CE) à l'aide de capteurs de sol diffère légèrement de celle utilisée pour évaluer la salinité du sol en agriculture. Généralement, on mesure la CE (CE du sol) d'une suspension aqueuse, mélange d'eau et de sol, et on l'utilise comme indicateur de la salinité du sol. En revanche, la CE mesurée par les capteurs de sol est le résultat d'une fonction complexe prenant en compte la salinité de l'eau interstitielle et diverses caractéristiques du sol. Par conséquent, la relation entre la CE du sol et celle obtenue par capteur peut varier selon le type de sol et son statut hydrique. C'est pourquoi, à mon avis, la difficulté réside dans la compréhension précise de cette relation.

— Comment ce manque de données sera-t-il comblé à l'avenir ?

Dans le cadre de recherches futures, il sera nécessaire de relier les nombreuses données pédologiques recueillies par le passé aux données récemment collectées par des capteurs. L'expérience de démonstration sur l'analyse des facteurs influençant la tolérance au sel du riz à enracinement superficiel se déroulera de juin 2022 à mars 2023. J'ai appris que de nouvelles données seront compilées et associées aux données antérieures grâce aux nouveaux capteurs pédologiques de pointe développés conjointement par l'Université de Tohoku et Murata Manufacturing.

Le fait de relever les défis un par un permettra également de réaliser la transformation numérique (DX) et l'agriculture intelligente dans le domaine agricole, ainsi que d'autres progrès.

Le sol évolue lentement. Par conséquent, son analyse ne nécessite généralement pas la collecte de données en temps réel à une telle échelle. Cependant, la recherche sur les modèles de croissance des cultures exige des données variées (température, humidité, rayonnement solaire, direction du vent, quantité et composition des engrais) afin d'observer les variations de rendement (quantité de récolte). Les modèles de production de rendement sont depuis longtemps élaborés à partir des valeurs moyennes de la température de l'air, de la température du sol et de l'humidité sur une période donnée.

L'utilisation des données recueillies par le système de surveillance environnementale, notamment grâce aux capteurs de sol et autres technologies, contribuera grandement à cette recherche. L'obtention d'une grande quantité de données en temps réel à l'aide de plusieurs capteurs nous permettra d'affiner encore davantage nos prévisions de rendement. Il sera également possible d'envisager des mesures correctives pour les modèles de croissance antérieurs, ce qui, j'en suis convaincu, fera progresser nos travaux.

AUTEUR : Hitoshi Kanno, MURATA