Classification and mapping of anthropogenic landforms on cultivated hillslopes using DEMs and soil thickness data - Example from the SW Parisian Basin, France

International audienceThis study focuses on linear anthropogenic landforms of decametric width on cultivated hillslopes and their relations to soil thickness variability. The 16 ha study area shows a rolling topography supported by Cretaceous chalk of the SW Parisian Basin, France. Two types of landforms were identified: lynchets, similar to those described as soil terraces occurring on downslope field parts in other contexts, and undulations, linear, convex landforms that cut across fields. Accurate DEM construction and a detailed soil thickness survey were performed all over the study area. Soil samples were classified considering their location on specific types of anthropogenic landforms. The classification tree (CT) method was applied to assess whether lynchets and undulations can be discriminated through morphometric attributes (slope, curvature, profile curvature and planform curvature) and soil thickness (CTsoil) or through morphometric attributes only (CTtopo). The CT application establishes predictive classification models to map the spatial distribution of lynchets and undulations over the whole study area. The validation results of the CTsoil and CTtopo applications show model efficiencies of 83% and 67%, respectively. Both models performed well for lynchets. Errors arise mainly from difficulties in unequivocally discriminating gently convex undulations and undifferentiated surfaces, especially when soil thickness is not accounted for. Mean values of soil thickness are 1.08, 0.62 and 0.45 m in lynchets, undulations and undifferentiated areas, respectively. The general shape of the thickened soil is characteristic to each type of anthropogenic landform. Multi-temporal mapping of field border networks shows that undulations are linked to borders that were removed during the latest land consolidation. Lynchets are associated with current field borders. Lynchets and undulations, which cover 39% of the study area, define topographic indicators of human-induced soil accumulations. The method involves perspectives for efficiently mapping and quantifying the anthropogenically modified spatial variability of soil thickness on agricultural hillsides

Distribution spatiale des objets archéologiques et mouvements de matière à l’échelle des versants cultivés : le cas de Mougon (Indre-et-Loire, France)

Cette contribution pose la question de l’utilisation de la géostatistique pour l’interprétation de la répartition des artefacts recueillis en prospection archéologique. L’expérience a été réalisée à partir des données issues des prospections réalisées à Mougon (commune de Crouzilles, Indre-et-Loire, France) dans le cadre d’un projet retenu par l’Action Concertée Incitative « Terrain, Technique, Théorie » du ministère de la recherche. L’objectif initial visait à établir une distinction entre les concentrations d’artefacts susceptibles de signaler la présence de structures archéologiques sous-jacentes et les zones de répartition spatiale aléatoire des artefacts, liée au fumage des terres cultivées et aux processus post-dépositionnels. Après le tri, le comptage et l’enregistrement informatique du mobilier par catégories chronologiques et fonctionnelles, les artefacts collectés en surface ont fait l’objet d’un traitement géostatistique destiné à faciliter la lecture et l’interprétation de leur répartition : la distribution des artefacts a été étudiée au moyen des méthodes géostatistiques de krigeage ordinaire et de la simulation conditionnelle. L’exploitation des données de surface par le biais de la géostatistique a permis, d’une part, de circonscrire précisément l’emplacement des structures archéologiques potentielles et d’autre part, de révéler l’importance des processus post-dépositionnels dans la redistribution des artefacts en surface. Cette expérience est également à l’origine d’une réflexion sur la pertinence des unités de collecte et de représentation du mobilier de prospection.This contribution aims at discussing the use of geostatistics for the interpretation of the spatial surface distribution of archaeological artefacts. The experience was carried out with the artefacts collected in Mougon (Crouzilles, Indre-et-Loire, France) for the ACI TTT project of the French Ministry of Research. The initial purpose of the study was to distinguish the concentrations of artefacts indicating the presence of buried archaeological remains from a random spatial distribution of artefacts due to manuring and post-depositional processes. After all the artefacts were sorted out, counted and recorded, a geostatistical analysis has been performed to interpret the spatial distribution of the surface artefacts : ordinary kriging and conditional simulation were used. The use of geostatistics allowed a precise delimitation of archaeological features. It also revealed the influence of post-depositional processes on the spatial distribution of artefacts. Furthermore, this experiment led us to re-estimate the relevance of the units we used to collect and represent the survey data

Effet de l'évolution du parcellaire agricole sur la redistribution des sols et la morphologie des versants cultivés (exemple du sud-ouest du Bassin parisien)

L évolution historique des types et techniques de production agricole a causé celle de l organisation paysagère, via les parcellaires notamment. Les bordures de parcelles créent des discontinuités dans les processus d érosion-dépôt de sol. L objectif est ici de comprendre l effet du parcellaire et de son évolution sur la distribution actuelle des sols et la morphologie des versants. Un versant cultivé (16 ha) dans le SW du Bassin Parisien a été étudié. La distribution spatiale de figures morphologiques linéaires et de l épaisseur des sols a été analysée. Les deux types de figures identifiés correspondent à des épaississements de sols (dépôts) induits par des bordures de parcelles, pérennes depuis plusieurs siècles pour les premières, et disparues en 1967 (remembrement) pour les secondes. Ces épaississements ont été cartographiés grâce à une analyse statistique (CART) de la morphologie du versant. L étude de traceurs granulométriques et minéralogiques (SEDI) a permis d identifier les processus d érosion-dépôt impliqués. La solifluxion périglaciaire puis le ruissellement auraient affecté l ensemble du versant avant la pérennisation d un parcellaire. Puis, des processus hydriques et aratoires ont agi dans des unités (parcelles) fixées par des bordures : les plus pérennes (1000 ans) montrent les dépôts les plus marqués (banquettes). La distribution spatiale du 137Cs et sa conversion en taux d érosion (modélisation numérique) ont permis d évaluer l implication relative des processus hydriques (15%) et aratoires (85%) depuis 1954. Le remembrement parcellaire de 1967 s avère avoir favorisé l érosion des sols, convertissant des zones de rétention en zones sources (ondulations).The historical evolution of agricultural practices is associated with a concomitent evolution of landscape spatial organisation, especially through field-border networks. Field borders create discontinuities of soil erosion-deposition processes. The aim of this PhD is to understand the effects of field-border networks and their evolution on the present spatial distribution of soils and hillslope morphology. A cultivated hillslope (16 ha) of the SW Parisian Basin was studied. The spatial distribution of linear landforms and soil thickness was analyzed. The two types of identified landforms correspond to soil thickenings (deposition) induced by field borders, that have existed for several centuries in the case of the first ones, and disappeared during a land consolidation (1967) in the case of the second ones. These soil thickenings were mapped through a statistical analysis (CART) of the hillslope morphology. The study of granulometric and mineralogical tracers (SEDI) led to identify the involved soil redistribution processes. Periglacial solifluxion, followed by runoff, probably occured over the whole hillslope before the establishment of perennial field borders. Then, water and tillage processes occured within areas delimited by field borders. The more developed soil depositions (lynchets) are linked with the most perennial borders (i.e., 1000 yrs). The spatial distribution of 137Cs and its conversion into erosion rates (numerical modeling) allowed to assess the relative implication of water (15%) and tillage processes (85%) since 1954. The land consolidation that occured in 1967 rised soil erosion when converting soil retention areas to sources (undulations).TOURS-Bibl.électronique (372610011) / SudocSudocFranceF

Trace element accumulation in Mn—Fe—oxide nodules of a planosolic horizon.

The aim of this work was to determine the importance of nodule formation on the dynamics of major and trace elements (TEs) along a Planosol toposequence developed in metamorphic parent material at La Châtre (Massif Central, France). The different horizons were sampled within three pits and analysed for major and trace element contents. The nodule-rich horizon was studied more closely. A simplified sequential extraction scheme, X-ray diffraction (XRD) and microscopic approaches were used in order to determine the individual phases containing TE in nodules. Along the slope, the nodule-rich horizon varies in thickness, is composed of different oxide fractions and has different scavenging efficiencies according to the TE considered. Iron was found to accumulate in the middle of the slope, while Mn accumulated at the base. The scavenging effect is only evident for Ni in profile 1. For Fe and Cu, it is maximal in profile 2 where the nodule-rich horizon is the thickest. For Pb and Mn, maximal scavenging effect is recorded for both profiles 2 and 3, in the lowest part of the slope. Cr is not accumulated at all. This was related to the water dynamic and the hydromorphic conditions prevailing along the slope. Results obtained by sequential extractions and associated X-ray diffraction on the different nodule size fractions and those obtained by electron microprobe allow inference of the TE distribution in nodules. Nodules were mainly composed of three to four types of cements surrounding grains of quartz, feldspars, micas and accessory minerals: iron-rich cements, Si- and Al-rich cements, Mn-rich cements and Ti-rich cements in places. The iron-rich cements consist of poorly crystalline goethite and possibly some ferrihydrite. Ferrihydrite is associated with Cr as demonstrated by extractions. Goethite contained Mn and most of the TE extracted except for Ni and Pb. Fine-grained Si- and Al-rich cements were also observed. They contain variable amounts of Ti and Mn. Mn-rich cements were not present in all the nodules and were mainly linked to the dark zones of the nodules. The nature of these Mn oxides could not be determined. They were found to contain Co, Ni, Cu and probably Pb

3D representation of soil distribution: An approach for understanding pedogenesis Représentation 3D des sols, apports à la compréhension de la pédogenèse

International audienceSoils are characterised by a spatial variability in the three dimensions (3D) of space. However, 3D studies remain scarce due to the qualitative nature of many soil horizon characteristics, notably the horizon designation. Indeed, existing 3D tools are mainly developed for quantitative data. To solve this difficulty, we propose a new approach based on the interpolation of the horizon thickness to derive digital elevation models for both the upper and the lower limits of each horizon. This approach was applied to Planosols previously extensively studied with 2D approaches. The pseudo 3D obtained representation evidences soil processes that were missed in 2D approaches. As an example, we evidence the impact of differential weathering, resulting from the mineralogical heterogeneity of the parent material, on the subsequent pedogenesis. Les sols sont des continuums tridimensionnels (3D), caractérisés par une variabilité spatiale dans l'ensemble des directions de l'espace, mais les études 3D demeurent rares. Une des difficultés majeures des approches 3D est due à la nature qualitative de nombreuses caractéristiques des horizons, dans la mesure où la plupart des outils 3D existants sont principalement développés pour l'interpolation 3D de données quantitatives. En substitution à l'interpolation directe de la variable « nom de l'horizon », nous proposons une approche basée sur l'interpolation de l'épaisseur des horizons pour calculer les modèles numériques d'altitude correspondant aux limites de chaque horizon, permettant ainsi une visualisation pseudo 3D. Cette étude, appliquée à des Planosols bien caractérisés en 2D par ailleurs, montre que la représentation 3D des sols permet de souligner des processus omis lors des approches précédentes, tels que l'impact de l'altération différentielle, résultant de l'hétérogénéité initiale du matériau parental, sur une pédogenèse ultérieure

Landscape design for soil conservation under land use and climate change

International audienceSoils and landscapes evolve simultaneously. Soil evolution is controlled by redistribution and transformation processes influenced by topographic and climatic parameters, with also a major contribution of management strategies. The perennial landscape features have a strong influence on soil spatial distribution (geometry) and soil genesis. Building landscapes which enhance soil resilience to degradation processes and increase soil services appears as a promising way to adapt to forthcoming climatic and land use evolutions. The presentation aims to synthetize major results from a research program nicknamed Landsoil which focused on the evolution of agricultural soils over medium time scales (decades to centuries) in relation to changing conditions of land use and climate. Precise study of the soil 3D organization in three contrasted landscapes (Brittany, Touraine, Languedoc-Roussillon) enabled to link soil redistribution in space to landscape components (field geometry, hedges or ditches network) and their past evolution. A dynamic and high resolution spatial modeling approach was developed coupling erosion processes and soil organic matter evolution and was calibrated over past evolution using dating techniques (Cs137, C14, OSL). The resulting Landsoil model was afterwards applied in a prospective manner under different scenarios of land use and climate change over the 21th century. Indicators of soil vulnerability and soil resilience were defined and tested by the comparison of several prospective scenarios applied on a same landscape and by comparison of the contrasted landscapes

Déterminisme de la distribution spatiale des éléments majeurs et traces dans les sols en contexte métamorphique (Plateau d'Aigurande, nord du Massif central, France)

L'objectif est de comprendre les processus de la pédogénèse à l'origine de la distribution des teneurs naturelles des sols en éléments traces à l'échelle du paysage . L'approche est multiéchelles combinant une approche spatiale à une étude multiélementaire détaillée sur profils pédologiques . Le site d'étude a été sélectionné pour sa richesse en éléments traces (Cr et Co), et sa diversité géologique (amphibolite, gneiss) et topographique . L'étude des différents matériaux est abordée selon leur degré de transformation . Les résultats montrent que les roches et les altérites plus ou moins évoluées présentent : des teneurs plus élevées en Ca, Fe, Co dans les zones sur amphibolite attribuées à la présence de hornblende ; des teneurs plus élevées en Si, K, Cr dans les zones sur gneiss attribuées à la présence de quartz, orthose et micas . L'analyse spatiale des altérites révèle une très forte variabilité des teneurs . Un lien étroit existe entre les propriétés chimiques des horizons pédologiques et celles des altérites sous-jacentes en contexte topographique convexe, alors que celui-ci est beaucoup plus ténu en contexte concave . Les différences alors constatées sont essentiellement dues à des processus physiques de redistribution de matière dépendant du degré d'altération initial des altérites . Dans toutes les situations, la forte variabilité des teneurs observées dans les altérites est fortement gommée dans les horizons de surface, indiquant une homogénéisation attribuée pour partie aux activités agricoles . On constate par ailleurs que le réseau de haies est à l'origine du stockage des produits de l'érosion le long des versants, surimposant ainsi un autre type d'hétérogénéité . Ainsi, la nature du matériau parental et son degré d'altération, ainsi que les redistributions physiques de matière le long du versant sont les deux principaux processus permettant d'expliquer la distribution spatiale des teneurs en éléments majeurs et traces en contexte métamorphique valloné .TOURS-BU Sciences Pharmacie (372612104) / SudocSudocFranceF

Effet d’échelle et connectivité : concepts intégrateurs ou ersatz de model physique ?

International audienceLes phénomènes d’érosion et de transport sédimentaire sont souvent observés avec un décalage temporel et/ou spatial au sein d’un bassin hydrologique, notamment entres les zones amont et aval. Cette manifestation, qui consiste donc en l’observation d’une différence entre les bilans de ruissellement et d’érosion à différentes échelles, est communément appelée « effet d’échelles ». Cet effet a souvent été étudié de manière globale et une diminution des taux de ruissellement et d’érosion est généralement observée à mesure que l’on se déplace de l’échelle locale à l’échelle régionale.Pour quantifier l’effet d’échelle, les modèles d’érosion locaux sont souvent reliés au concept empirique du SDR (Sediment Delivery Ratio), c’est-à-dire le rapport entre les exports de sédiments à l’exutoire d’un réseau hydrographique et l’érosion brute produite localement sur les versants. Ce paramètre empirique est utilisé comme un facteur de connectivité, permettant d’estimer l’apport des pertes de sols nettes des versants aux exports sédimentaires des bassins. Un regain d’intérêt récent sur ces thématiques a mené le développement de variantes plus ou moins élaborées de ce paramètre qui utilisent une conceptualisation de la(es) connectivité(s) du paysage pour décrire les flux sédimentaires au sein des bassins hydrographiques.De manière générale, ces concepts permettent d’appréhender la variabilité spatiale des flux dans des milieux hétérogènes et pour des événements/climats pas trop marqués, par exemple pour l’étude des flux particulaires en plaine ou de « moyenne montagne » en climat tempéré. Leur utilisation est plus difficile quand les flux sont plus contraints par les processus de production (e.g. flux sédimentaire dissous). Une limite apparait également quand on essaye de couvrir une gamme trop importante d’échelles spatiales. En effet, au-delà d’une succession spatiale de processus de (re)détachement et de dépôt, des processus d’une nouvelle nature peuvent émerger lors du changement d’échelle. Nous nous appuierons sur plusieurs bases de données de mesures d’érosion/transport sédimentaire à différentes échelles et dans des contextes géomorphologiques diversifiés pour illustrer et discuter de la pertinence de ces concepts