De l’observation des racines à celle des organismes du sol

L’imagerie est utilisée depuis plusieurs années pour étudier les systèmes racinaires, notamment grâce à des scanners installés directement dans le sol, à plat ou dans des tubes en plexiglas transparents. Mais les progrès réalisés ces dernières années ont permis d’aller plus loin. Emma était en stage lorsque des invertébrés ont été identifiés sur les images.
Une possibilité nouvelle s’ouvre alors : celle d’utiliser ces dispositifs pour observer et suivre l’activité biologique des sols, au-delà de l’étude des racines.

Au confluent de la biologie des sols et d’un défi méthodologique… résidait peut-être un sujet de thèse. C’est cette piste qu’Emma commence à explorer. Une première étape exploratoire pour répondre à une question simple : est-ce que cela vaut le coup de poursuivre dans ce sens ?

Une réponse positive l’amène à poursuivre ce travail en thèse, sous la direction de Mickael Hedde[1] et Christophe Jourdan[2], sur le campus de La Gaillarde à Montpellier[3]. Pendant trois ans, elle travaille au développement et à l’évaluation de méthodes d’imagerie pour suivre les écosystèmes invertébrés du sol.

Voir l’activité, mais aussi parvenir à la détecter

Une grande partie de la thèse est consacrée au développement méthodologique. Première question : quelle activité biologique est-on capable de voir dans les images et peut-on la détecter ?
À haute résolution[4], racines, faune ou encore structures fongiques deviennent observables au travers du scanner. Mais entre la possibilité technique de voir ces éléments et le développement d’une méthode réellement utilisable sur le terrain, de nombreuses questions se posent.

Faut-il, par exemple, augmenter la résolution pour observer des organismes toujours plus petits ? Les essais montrent que cela permet effectivement de détecter des organismes jusqu’au millimètre, faisant partis de la mésofaune[5] mais aussi que les contraintes logistiques deviennent rapidement importantes.

Même réflexion autour de la fréquence d’acquisition. Les scanners peuvent être programmés pour automatiser la capture des images. Tester différentes fréquences d’acquisition, d’une image toutes les six heures jusqu’à une image toutes les quinze minutes, permet de suivre beaucoup plus finement l’activité. Mais observer davantage ne doit pas conduire à perturber le milieu observé : la répétition des acquisitions et l’exposition à la lumière pourraient-elles modifier le comportement d’organismes qui ont normalement tendance à la fuir ? A priori, les travaux menés pendant la thèse montrent que les pertes liées à cette perturbation restent limitées.

Jouer sur les paramètres a permis à Emma de soulever une question centrale, à mi-chemin entre technique et logistique, pour le développement de la méthode : jusqu’où augmenter les capacités d’observation pour répondre à la question scientifique posée ?

Le défi du « déluge de données »

Augmenter la résolution et la fréquence d’acquisition a une conséquence immédiate : le volume de données explose. Dans le cadre de la thèse d’Emma, près de 43 000 images qui ont été acquises, soit près de 6 téraoctets de volume ! 
Traiter manuellement une seule image peut demander environ trente minutes. Dès lors que les acquisitions sont automatisées et répétées dans le temps, analyser manuellement l’ensemble des images devient impossible.

Après l’acquisition de données, place aux méthodes permettant de les traiter ! Un défi qui a nécessité une étroite collaboration entre écologues et informaticiens, notamment avec Hadrien Hendrikx, chercheur en Machine Learning à l’INRIA de Grenoble, François Postic, postdoctorant INRAE en informatique à Eco&Sols, et Guerric Le Maire, chercheur en écologie spécialisé en télédétection.

La solution aujourd’hui fonctionnelle pour étudier l’activité des invertébrés sur les images repose sur deux outils complémentaires : détecter, puis classifier.

Le premier permet de détecter l’apparition d’un invertébré à partir d’opérations mathématiques. Le principe : les invertébrés bougent, tandis que la matrice du sol en arrière-plan reste relativement stable. Les variations d’intensité lumineuse des pixels entre deux images successives sont donc mesurées afin de repérer l’apparition ou le déplacement d’un invertébré.

Une fois les objets détectés, encore faut-il savoir « qui est qui » ! C’est l’objectif du second outil, consacré à leur classification. Cette fois, le traitement repose sur un modèle de Deep Learning, entraîné à reconnaître et classifier les différents objets observés sur les images.
L’enjeu est important : automatiser suffisamment le traitement, de la détection à la classification, pour parvenir à exploiter le flux considérable d’images généré tout en distinguant l’activité recherchée du « bruit » présent dans les images.

Une méthode pour poser de nouvelles questions écologiques

Après le développement de l’outil vient une autre question : quelle est finalement la plus-value de cette méthode pour l’étude des écosystèmes du sol ?
L’un de ses apports réside dans la possibilité de suivre l’activité biologique à la fois dans l’espace et dans le temps.

• Dans l’espace, les travaux mettent en évidence, à une échelle très fine au sein de la matrice du sol, l’influence directe des structures racinaires et de leur activité sur la distribution des invertébrés. Ces observations suggèrent même une possible extension à ces organismes du concept de rhizosphère – cette zone du sol directement influencée par les racines et leur activité.
• Dans le temps, l’acquisition et le traitement automatisés permettent de suivre les variations de l’activité et de les mettre en relation avec différents facteurs causaux, à différents moments de l’année. Déployable à l’extérieur, directement en pleine terre, la méthode permet ainsi de passer d’observations ponctuelles à un véritable suivi dynamique de l’activité du sol. C’est l’occasion pour Emma d’observer des dynamiques temporelles, et non plus des évènements isolés.

Au cours de la thèse, ces développements ont notamment été testés sur le site DIAMS[6] près de Montpellier ainsi qu‘au Sénégal, sur le site « Faidherbia-Flux »[7] situé à Niakhar. Ce dernier a permis à Emma d’éprouver la limite des outils de scanners, non adaptés au climat très chaud. Prochain environnement : à flanc de montagne !

À l’ère du numérique, faut-il toujours observer plus ?

Trois années de développement méthodologique ont nettement ouvert les possibilités d’observation, au-delà même des attentes qu’Emma pouvait avoir au début de sa thèse. Mais elles l’ont aussi amenée à prendre du recul sur ces avancées technologiques et sur la production de données qu’elles entraînent.

Une résolution plus importante, des acquisitions plus fréquentes, des dispositifs automatisés, des méthodes d’analyse capables de traiter toujours davantage d’images : techniquement, les possibilités continuent de progresser. Mais produire plus de données ne signifie pas nécessairement produire plus de connaissances.

Quel est le gain réel d’une augmentation de la résolution ou de la fréquence d’acquisition ? À partir de quand les contraintes, les coûts et les impacts associés deviennent-ils trop importants au regard de l’information scientifique supplémentaire obtenue ? Et comment s’assurer de la réelle valorisation des données produites ?

Cette réflexion fait pleinement partie des enjeux du suivi automatisé de la biodiversité. Elle invite à penser les technologies non comme une fin en soi, mais comme des outils à dimensionner au regard des questions scientifiques auxquelles elles doivent permettre de répondre.

Une prise de recul majeure dont témoigne le titre de sa thèse : « L’écologie du sol à l’ère du numérique : enjeux et apports du suivi automatisé de la biodiversité édaphique » et que vous pourrez découvrir plus en longueur dans sa soutenance, puis à la publication future de son manuscrit de thèse (un peu de patience…).

Des développements qui viennent aujourd’hui enrichir le Programme de recherche SolsVivants

Bien que cette thèse n’ait pas été réalisée dans le cadre institutionnel du PEPR SolsVivants, les développements méthodologiques qui en sont issus viennent aujourd’hui enrichir la connaissance et ouvrir de nouvelles perspectives pour les recherches du Programme.

La méthode d’imagerie développée et réflexions soulevées pendant la thèse font avancer l’observation des organismes du sol, permettant de mieux documenter leur activité et leurs interactions : thématiques essentielles des Projets Ciblés[8] du PEPR SolsVivants.
Une perspective de recherche s’ouvre également quant à l’intérêt de croiser ces observations à celles issues d’autres capteurs, notamment acoustiques, pour affiner la connaissance en biologie des sols.

Les travaux d’Emma constituent une nouvelle brique méthodologique sur laquelle pourront s’appuyer les recherches à venir dans SolsVivants, et au-delà.
Et la recherche continue pour Emma : après sa soutenance, elle poursuivra ses travaux en postdoctorat avec Mickael Hedde, financé par le PEPR Dynabiod[9], et en étroites interactions avec SolsVivants. Une nouvelle étape qui lui permettra notamment de poursuivre le développement des méthodes de traitement de la donnée.

Soutenance le 28 août à Montpellier et à distance
Emma Belaud soutiendra sa thèse « L’écologie du sol à l’ère du numérique : enjeux et apports du suivi automatisé de la biodiversité édaphique » :

Vendredi 28 août 2026 à 14h
Institut Agro – Campus de La Gaillarde
2 place Pierre Viala, 34060 Montpellier
Amphithéâtre 206 – Bâtiment 9

La présentation sera réalisée en français, avec un support en anglais.
La soutenance pourra également être suivie à distance :

https://institut-agro.zoom.us/j/98170498499

Composition du jury :

Sébastien Barot, Directeur de recherche, IEES, IRD – Rapporteur
Catherine Picon-Cochard, Directrice de recherche, UREP, INRAE – Rapportrice
Thibaud Decaëns, Professeur, CEFE, Université de Montpellier – Examinateur
Sara Si-Moussi, Chaire de professeur junior, LECA, CNRS – Examinatrice
Mickael Hedde, Directeur de recherche, ECO&SOLS, INRAE – Directeur
Christophe Jourdan, Directeur de recherche, ECO&SOLS, CIRAD – Directeur 
 

[1] Mickael Hedde est directeur de recherche, Unité Mixte de Recherche ECO&SOLS, INRAE

[2] Christophe Jourdan est directeur de recherche, Unité Mixte de Recherche ECO&SOLS, CIRAD

[3] L’Institut Agro Montpellier est installé sur le Campus de la Gaillarde et regroupe un ensemble des forces de recherche de l’Institut Agro Montpellier, de l’INRAE, du Cirad et de l’IRD en sciences du sol et en agronomie.

[4] La résolution d’image mobilisée dans le cadre de la thèse est de 1200 dpi.

[5] La « mésofaune » correspond aux organismes dont la taille est comprise entre 200 µm et 2 mm.

[6] DIAMS (Dispositif Instrumenté en Agroforesterie Méditerranéenne Sous contrainte hydrique) est un site expérimental situé à Mauguio (Hérault) à 10 km au sud-est de Montpellier. Plus d’informations : https://umr-ecosols.fr/implantations/montpellier?view=article&id=313:diams&catid=16:implantations

[7] « Faidherbia-Flux » est un observatoire collaboratif (plus de 20 instituts internationaux et plus de 70 chercheurs et étudiants), situé dans un parc agro-sylvo-pastoral typique du bassin arachidier au Sénégal. Plus d’informations : https://lped.info/wikiObsSN/?Faidherbia-Flux

[8] Projet Ciblé 1 : les réseaux d’interactions dans les sols (interactions trophiques et non trophiques), Projet Ciblé 2 : l’impact des interactions biotiques dans les sols sur la multifonctionnalité des sols. Projet Ciblé 2 : l’impact des interactions biotiques dans les sols sur la multifonctionnalité des sols.

[9] Dynabiod est le PEPR Dynamiques de la biodiversité terrestre