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De puissants capteurs embarqués dans des avions détectent l'azote des cultures avec une grande précision
AGDAILY reporters*
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Image : Université de l'Illinois Urbana-Champaign.
Les engrais azotés de synthèse ont transformé l'agriculture telle que nous la connaissons pendant la Révolution verte, catapultant les rendements des cultures et la sécurité alimentaire vers de nouveaux sommets. Pourtant, malgré les améliorations de l'efficacité de l'utilisation de l'azote par les cultures, la crainte d'un rendement insuffisant incite encore aujourd'hui à l'application excessive d'engrais. L'excès d'azote se retrouve ensuite dans les cours d'eau, y compris les eaux souterraines, et dans l'atmosphère sous la forme de puissants gaz à effet de serre.
Il est difficile de prédire la quantité d'azote nécessaire à une culture donnée au cours d'une année donnée. La première étape consiste à comprendre l'état de l'azote des cultures en temps réel, mais il n'est ni réaliste ni possible de mesurer manuellement l'azote des feuilles tout au long d'une campagne.
Dans une étude inédite, une équipe de recherche de l'Université de l'Illinois a placé des capteurs hyperspectraux sur des avions pour détecter rapidement et précisément l'état de l'azote et la capacité photosynthétique du maïs.
« Les mesures de l'azote sur le terrain prennent beaucoup de temps et de travail, mais la technique de détection hyperspectrale par avion nous permet de balayer les champs très rapidement, à raison de quelques secondes par hectare. Elle offre également une résolution spectrale et spatiale bien supérieure à celle d'études similaires utilisant l'imagerie par satellite », explique M. Sheng Wang, professeur assistant de recherche au sein de l'Agroecosystem Sustainability Center (ASC) et du Department of Natural Resources and Environmental Sciences (NRES) de l'Université de l'Illinois.
« Notre approche comble un vide entre les mesures sur le terrain et les satellites et fournit une approche rentable et très précise de la gestion de l'azote des cultures dans le cadre d'une agriculture de précision durable », ajoute-t-il.
L'avion, équipé d'un capteur haut de gamme capable de détecter des longueurs d'onde dans le spectre visible et le proche infrarouge (400-2400 nanomètres), a survolé un champ expérimental dans l'Illinois à trois reprises pendant la saison de végétation 2019. Les chercheurs ont également pris des mesures de feuilles et de canopée sur le terrain comme données de vérification au sol pour les comparer aux données du capteur.
Les vols ont détecté les caractéristiques des feuilles et de la canopée du point de vue de l'azote, dont plusieurs liées à la capacité photosynthétique et au rendement en grains, avec une précision allant jusqu'à 85 %.
« C'est une qualité proche de la vérité au sol », déclare M. Kaiyu Guan, co-auteur de l'étude, directeur fondateur de l'ASC et professeur associé au NRES. « Nous pouvons même compter sur les capteurs hyperspectraux aéroportés pour remplacer la collecte de la vérité au sol sans sacrifier beaucoup de précision. Parallèlement, les capteurs aéroportés nous permettent de couvrir des zones beaucoup plus vastes à faible coût. »
La télédétection capte l'énergie réfléchie par les surfaces au sol. La composition chimique des feuilles, notamment leur teneur en azote et en chlorophylle, modifie subtilement la quantité d'énergie réfléchie. Les capteurs hyperspectraux détectent des différences de seulement 3 à 5 nanomètres sur toute leur plage, une sensibilité inégalée par les autres technologies de télédétection.
« Les autres technologies de télédétection aéroportée ne captent que le spectre visible et éventuellement le proche infrarouge, soit quatre bandes spectrales. C'est très loin de ce que nous pouvons faire avec ce capteur hyperspectral. Il est vraiment puissant », explique M. Guan.
Les chercheurs voient une utilité à leurs découvertes dans le calculateur de taux d'azote pour le maïs MRTN (Maximum Return To Nitrogen).
M. Wang explique : « Avec notre approche, nous pouvons détecter l'état de l'azote dans la culture et faire des ajustements en temps réel pour les acteurs agricoles. MRTN fournit des taux de fertilisation azotée recommandés sur la base du compromis économique entre les taux de fertilisation azotée du sol et le rendement de fin de saison. Notre approche de télédétection peut alimenter le système MRTN en éléments sur l'état nutritionnel des plantes, permettant ainsi une gestion en temps réel de l'azote des cultures. Il peut potentiellement faire évoluer les recommandations actuelles basées sur la fertilisation avant la saison de végétation, centrées sur le sol, vers un diagnostic basé sur la nutrition des plantes en temps réel, améliorant ainsi l'efficacité de l'utilisation de l'azote dans l'agroécosystème."
Fait important, l'équipe de recherche a élaboré le meilleur algorithme mathématique pour détecter les données de réflectance de l'azote provenant du capteur hyperspectral. Ils s'attendent à ce qu'il soit mis à profit au fur et à mesure de l'arrivée de nouvelles technologies.
« La NASA prévoit une nouvelle mission hyperspectrale par satellite, tout comme d'autres sociétés commerciales de satellites. Notre étude peut potentiellement fournir l'algorithme pour ces missions, car nous avons déjà démontré sa précision dans les données hyperspectrales des avions », explique M. Wang.
Selon M. Guan, l'objectif final est d'intégrer cette technologie aux satellites, ce qui permettra de visualiser l'état de l'azote dans chaque champ au début de la saison de végétation. Les progrès réalisés permettront aux agriculteurs de prendre des décisions plus éclairées concernant les apports d'azote à côté de la ligne de semis.
En définitive, l'objectif est bien sûr d'améliorer la durabilité environnementale des engrais azotés dans les systèmes agronomiques. Et selon M. Guan, la précision est le moyen d'y parvenir.
« Essentiellement, vous ne pouvez pas gérer ce que vous ne pouvez pas mesurer. C'est pourquoi nous consacrons tant d'efforts à cette technologie. »
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* Source : Powerful sensors on planes detect crop nitrogen with high accuracy | AGDAILY
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