Une mauvaise gestion du sel appliqué lors de l'irrigation finit par réduire la production - de manière radicale dans de nombreux cas. Une irrigation incorrecte augmente également le coût de l'eau et l'énergie utilisée pour l'appliquer. Comprendre l'équilibre du sel dans le sol et connaître la fraction de lessivage, ou la quantité d'eau d'irrigation supplémentaire qui doit être appliquée pour maintenir une salinité acceptable dans la zone racinaire, est essentiel pour la réussite de tout gestionnaire d'irrigation. Pourtant, la surveillance de la salinité du sol est souvent mal comprise.
Dans le webinaire ci-dessous, le Dr Gaylon Campbell, physicien des sols de renommée mondiale, enseigne les principes fondamentaux de la mesure de la conductivité électrique du sol (EC) et la manière d'utiliser un outil auquel peu de gens pensent, mais qui est absolument essentiel pour maintenir le rendement et le profit des cultures. Apprenez :
Les terres irriguées représentent 40 % de notre approvisionnement alimentaire, et les sels ont une incidence sur les rendements d'environ un cinquième de ces surfaces. Toutes les eaux d'irrigation contiennent au moins une certaine quantité de sel. Si l'on laisse les sels s'accumuler autour de la zone racinaire d'une culture, ils blessent les plantes, réduisent les rendements et modifient même la structure du sol, causant des dommages à long terme à la terre elle-même. Afin de préserver la productivité des terres irriguées, il est important de comprendre comment gérer les sels.
Les étapes de la gestion des sels sont les suivantes :
La conductivité électrique (CE) est la clé de ces mesures. L'eau pure ne conduit pas l'électricité, mais la plupart des eaux, même l'eau du robinet, contiennent suffisamment de sels dissous pour être conductrices. La concentration de sels dans l'eau ayant une incidence directe sur sa conductivité, la mesure de la conductivité électrique est un moyen très efficace de mesurer les concentrations de sels dans l'eau du sol.
La plupart des gens ont déjà fait l'expérience d'une fertilisation trop importante, peut-être par accident, et de la mort de l'herbe ou d'autres plantes. On dit souvent que l'engrais a "brûlé" les plantes, mais en général, ce ne sont pas les nutriments eux-mêmes qui causent les dégâts. C'est souvent leur effet sur l'eau. Les plantes absorbent de l'eau, mais elles n'absorbent pas de sels en quantité appréciable. Lorsque le sel est ajouté au sol par la fertilisation et l'irrigation, il s'y concentre. Le sel peut causer divers problèmes aux plantes. Par exemple, le Na+ peut atteindre des concentrations toxiques pour les plantes, même si celles-ci n'en absorbent pas une quantité appréciable. Le sel attire également l'eau et rend plus difficile l'absorption de l'eau du sol par les plantes. Certaines plantes sont plus sensibles que d'autres à la présence de sel dans le sol. Le rendement des haricots sera affecté si l'extrait de saturation du sol dépasse 2 dS/m, par exemple, alors que l'orge peut être cultivée sans réduction de rendement dans un extrait de saturation du sol allant jusqu'à 16 dS/m. En fin de compte, cependant, une teneur élevée en sel affecte toutes les plantes.
| Sensible | Moyennement tolérant | Haute tolérance |
|---|---|---|
| Trèfle rouge | Blé | Palmier dattier |
| Pois | Tomate | Orge |
| Haricot | Maïs | Betterave à sucre |
| Poire | Luzerne | Coton |
| Orange | Pommes de terre | Épinards |
Tableau 1. Tolérance au sel des cultures
L'unité SI pour la conductance électrique est le Siemen, de sorte que la conductivité électrique est exprimée en S/m. Les unités utilisées dans la littérature plus ancienne sont les mho/cm (mho est la réciproque de ohm). La CE du sol était généralement exprimée en mmho/cm. 1 mmho/cm équivaut à 1 mS/cm, mais comme le SI décourage l'utilisation de sous-multiples dans le dénominateur, cette unité est remplacée par des déciSiemen par mètre (dS/m), qui sont numériquement équivalents aux mmho/cm ou aux mS/cm.
| Classe USDA | Extrait de saturation (dS/m) | Sel dans le sol (g de sel/100g de sol) | Potentiel osmotique (kPa) | Tolérance des cultures | Exemple de cultures |
|---|---|---|---|---|---|
| A | 0-2 | 0-0.13 | 0 à -70 | Sensible | Haricot |
| B | 2-4 | 0.13-0.26 | -70 à -140 | Modérément sensible | Maïs |
| C | 4-8 | 0.26-0.51 | -140 à -280 | Modérément sensible | Blé |
| D | 8-16 | 0.51-1.02 | De -280 à -560 | Tolérant | Orge |
Tableau 2. Classes de salinité pour les sols (Richards, L.A. [Ed]. 1954. Diagnosis and Improvement of Saline and Alkali Soils, USDA AG Handbook 60, Washington DC).
Il existe trois façons de mesurer la CE dans les sols : la CE de l'eau interstitielle, la CE globale ou la CE de l'extrait de saturation. Ces trois méthodes sont liées, mais il existe des outils permettant de convertir l'une en l'autre. Pour comprendre les données de mesure, il est important de savoir quel type de CE est mesuré.
L'EC de l'eau de porosité ou EC de l'eau du sol(σw) est la conductivité électrique de l'eau dans les pores du sol. Les chercheurs confondent souvent la valeur sortant d'un capteur d'EC du sol avec l'EC de l'eau interstitielle. L'idéal serait de mesurer simplement la conductivité électrique de l'eau interstitielle in situ. Mais essayez d'imaginer comment cela pourrait fonctionner. De minuscules capteurs devraient être insérés dans des pores microscopiques remplis d'eau. Il est évident qu'il n'est pas possible de mesurer la CE de l'eau à cette échelle. En fait, la seule façon de mesurer la CE de l'eau interstitielle est d'extraire un échantillon d'eau du sol et de mesurer la CE de cet échantillon.
La conductivité électrique globale(σb) est la conductivité électrique du sol global (sol, eau et air). Les capteurs d'humidité du sol installés dans le sol mesurent tous la conductivité électrique globale. Des équations empiriques ou théoriques peuvent être utilisées pour déterminer la CE de l'eau interstitielle et la CE de l'extrait de saturation(σe) à partir des valeurs de CE en vrac mesurées. La CE en vrac est la seule mesure de la CE qui peut être contrôlée en continu in situ.
L'extrait de saturation de la CE(σe) indique exactement la quantité de sel dans le sol et peut être converti en salinité du sol. Il s'agit de la méthode traditionnelle de mesure de la CE. Elle est mesurée en prélevant un échantillon de sol, en faisant une pâte saturée de sol et d'eau déionisée, en extrayant l'eau et en mesurant ensuite la CE de la solution extraite. Les valeurs de CE publiées dans la littérature correspondent presque toujours à la CE de l'extrait de saturation.
Comme indiqué précédemment, les capteurs in situ mesurent la conductivité électrique du sol en vrac autour des capteurs(σb). De nombreuses recherches ont été menées pour déterminer la relation entre σb et la conductivité de l'eau interstitielle(σw). Hilhorst (2000) a tiré parti de la relation linéaire entre la permittivité diélectrique du sol(εb) et σw pour permettre la conversion de σb en σw si εb est connu. Les capteurs TEROS 12 mesurent εb et σb presque simultanément dans le même volume de sol. Ils sont bien adaptés à cette méthode. La conductivité de l'eau interstitielle peut être déterminée à partir de (voir Hilhorst, 2000 pour la dérivation)
où σw est la conductivité électrique de l'eau interstitielle (dS/m) ; εw est la partie réelle de la permittivité diélectrique de l'eau interstitielle du sol (sans unité) ; σb est la conductivité électrique du sol (dS/m), qui est mesurée directement par le capteur ; εb est la partie réelle de la permittivité diélectrique du sol (sans unité) ; εσb=0 est la partie réelle de la permittivité diélectrique lorsque σb = 0 (sans unité). εw ( équation 2) a une valeur d'environ 80. Une valeur plus précise peut être calculée à partir de la température du sol en utilisant
où Tsoil est la température du sol (ºC) mesurée par une sonde de température colocalisée avec la mesure de l'EC en vrac, comme c'est souvent le cas avec les capteurs d'EC du sol METER.
εb est également mesuré par la plupart des capteurs de teneur en eau volumétrique utilisés dans la recherche.
Enfin, εσb=0 est un terme de compensation représentant vaguement la permittivité diélectrique du sol lorsque l'EC=0. Hilhorst (2000) a recommandé d'utiliser εσb=0= 4,1 comme terme de compensation générique. Hilhorst (2000) propose une méthode simple et facile pour déterminer εσb=0 pour chaque type de sol, ce qui améliorera la précision du calcul de σw dans la plupart des cas.
Nos essais indiquent que la méthode de calcul de σwdécrite ci-dessus donne une précision moyenne (± 20 %) dans les sols et autres milieux de croissance à forte teneur en eau (supérieure à 25 %). Lorsque la teneur en eau diminue, le dénominateur de l'équation 1 devient petit, ce qui entraîne des erreurs potentielles importantes dans le calcul. Pour obtenir les meilleurs résultats, nous recommandons d'utiliser l'équation de Hilhorst lorsque la teneur en eau est élevée pour obtenir la CE de l'extrait de saturation(σe), puis de calculer la CE de l'eau interstitielle lorsque la teneur en eau est plus faible (inférieure à 25 %), en supposant que le sel reste dans le sol pendant que l'eau est éliminée (voir l'équation 3). En utilisant cette hypothèse
Où θ est la teneur en eau volumétrique du sol et θs la teneur en eau à saturation, qui peut être calculée à partir de la densité apparente du sol.
ρb est la densité apparente du sol (Mg/m3) et ρs est la densité des solides (2,65 Mg/m3 pour un sol minéral).
L'EC de l'extrait de saturation (souvent indiquée comme ECe ou σe) est la conductivité électrique de l'eau interstitielle prélevée dans une pâte saturée du sol. Le sol est mouillé avec de l'eau distillée jusqu'à saturation. Le sol est ensuite placé sur du papier filtre dans un entonnoir à vide et une succion est appliquée. Une mesure de la conductivité électrique de l'eau retirée de l'échantillon donne σe. La valeur σed'un sol est la valeur utilisée pour presque toutes les recommandations en matière de salinité (voir, par exemple, Richards, 1954) et il est donc important de l'obtenir. Elle peut être calculée à partir de la CE de l'eau interstitielle à l'aide de l'équation suivante
La combinaison des équations 1 et 4 donne
L'équation 6 est probablement la plus utile pour évaluer la salinité sur le terrain. Là encore, utilisez-la lorsque les teneurs en eau sont les plus élevées afin de maximiser la précision.
A titre d'exemple, supposons que la densité apparente de notre sol soit de 1,33 Mg/m3. L'équation 4 donne une teneur en eau de saturation de 1 - 1,33/2,65 = 0,5. Supposons que nous ayons mesuré une CE en vrac de 0,3 dS/m lorsque la teneur en eau est de 0,345 m3/m3, et un diélectrique en vrac(εb) = 20. Le σe serait
Calculer la CE de l'eau interstitielle à partir de la CE globale n'est pas la même chose que de convertir un ensemble d'unités en un autre - il s'agit en fait d'un modèle. Ou plutôt, il s'agit de plusieurs types de modèles différents. Certains sont empiriques, d'autres théoriques, mais tous ont leurs propres forces et faiblesses. Nous avons présenté le modèle de Hilhorst, mais il existe d'autres modèles populaires, notamment le modèle de Rhodes et le modèle de Mualem et Friedman.
| Extrait de saturation CE | EC en vrac du sol | Eau interstitielle EC | |
|---|---|---|---|
| Définition | La conductivité électrique d'une solution d'eau extraite d'un échantillon de sol saturé | La conductivité électrique combinée du sol, de l'air et de l'eau dans un substrat poreux. | La conductivité électrique de la solution contenue dans les pores du sol |
| Applications | Applications de l'agriculture de plein champ pour la gestion du sel | Chaque fois que des mesures continues sont nécessaires. Utilisé pour calculer la CE de l'eau interstitielle et de l'extrait de saturation. | Applications en serre et en pépinière, calcul des fractions de lixiviation |
| Avantages | Mesure quantitative de la quantité de sels dans le sol (salinité du sol)
Meilleure mesure pour déterminer l'adéquation d'une culture à un sol particulier |
Peut être mesuré en continu à l'aide d'un sur place sonde
La valeur peut être utilisée en conjonction avec la teneur en eau volumétrique pour modéliser l'EC de l'extrait de saturation ou l'EC de l'eau interstitielle. |
Mesure ce que la plante subit réellement
Quantifie la quantité de sel transportée par les eaux de drainage |
| Comment le paramètre est mesuré
*Toutes les méthodes supposent des valeurs CE corrigées de la température (tous les capteurs CE METER contiennent cette correction : voir le manuel de l'utilisateur). |
Un échantillon de sol prélevé sur le terrain est mélangé à de l'eau déminéralisée jusqu'à saturation. L'eau est ensuite extraite à travers un filtre et la CE et la température de l'eau sont mesurées à l'aide d'un appareil de mesure de la CE.
La valeur est calculée à partir des mesures de la CE en vrac et de la teneur en eau volumétrique. |
Pour la conductivité électrique, le capteur est placé dans le sol à la profondeur souhaitée. | L'échantillonneur d'eau interstitielle du sol est utilisé pour extraire l'eau interstitielle du sol à une profondeur spécifique. Un EC-mètre est utilisé pour mesurer l'EC de l'eau.
La valeur est calculée à partir des mesures de la CE en vrac et de la teneur en eau volumétrique. La valeur est déterminée à partir de l'EC du capteur Drain Gauge Lysimeter , où l'eau interstitielle du sol est collectée et surveillée. |
Tableau 3. Méthodes de mesure des différents types de CE
L'une des raisons les plus courantes de mesurer l'EC dans les sols est de minimiser la présence de sel dans les zones racinaires des plantes en pleine croissance. Si la CE dans la zone racinaire devient trop élevée, un cultivateur peut ajouter de l'eau d'irrigation pour lessiver les sels sous la zone racinaire. L'illustration ci-dessous montre comment, sur une base relative, les valeurs d'extrait de saturation peuvent être comparées les unes aux autres, une couleur plus claire indiquant une CE d'extrait de saturation plus faible et une couleur plus foncée indiquant une CE d'extrait de saturation plus élevée.
La fraction de lessivage (LF) est définie comme la profondeur de l'eau s'écoulant du bas de la zone racinaire(Ddrain) divisée par la profondeur de l'eau appliquée (par l'irrigation et les précipitations) au profil du sol(Dapplied).
Utilisez la fraction de lessivage pour calculer la quantité d'eau qui doit s'écouler dans le profil pour maintenir une conductivité électrique donnée dans la zone racinaire.
Par exemple, si l'EC de l'eau d'irrigation liquide est de 0,3 dS/m et que l'eau s'écoulant au-delà de la zone racinaire ne doit pas avoir une EC supérieure à 3 dS/m, les irrigants doivent faire passer un dixième de l'eau appliquée dans le profil.
Tout cela suppose toutefois que le drainage (la quantité d'eau qui s'écoule par le bas de la zone racinaire) soit mesuré avec précision. Dans la pratique, il est très difficile de le mesurer. Une approche innovante consiste à inverser les équations de la fraction de lixiviation et à utiliser l'EC de l'eau de drainage pour calculer le drainage en profondeur. L'EC de l'eau de drainage peut être mesurée en installant des sondes sous la zone racinaire.
En réarrangeant les équations, la profondeur de l'eau de drainage est égale à la profondeur de l'eau appliquée, multipliée par l'EC de l'eau appliquée (précipitations et irrigation), divisée par l'EC de l'eau de drainage.
Dans la plupart des régions, la pluie - qui ne contient pas de sels - jouera un rôle important dans l'équilibre global des sels. Une bonne façon d'ajuster l'EC de l'eau appliquée(ECapplied) pour tenir compte de la contribution de la pluie est de multiplier l'EC de l'eau d'irrigation par la profondeur d'irrigation et de diviser par la profondeur de la pluie plus la profondeur d'irrigation.
La fraction de lixiviation est de 0,4/4, soit 10 %. La perte totale d'eau par drainage est de 2,5 cm.
La figure 2 montre les valeurs de teneur en eau du sol à trois profondeurs au fil du temps, immédiatement après la fertilisation. Mais où est l'engrais ? Les valeurs d'humidité du sol ne donnent aucune indication sur le lessivage ou le drainage des éléments nutritifs.
Dans la figure 3, les mesures de la CE en vrac et de la teneur en eau volumétrique d'un GS3 ont été utilisées pour calculer la CE de l'eau interstitielle aux trois mêmes profondeurs. Notez que l'engrais reste temporairement dans la zone racinaire, mais qu'il est lessivé par l'eau qui s'écoule de la zone racinaire. Les deux graphiques sont tirés de Stirzaker (2010).
Les capteurs suivants vous permettront de recueillir des données pour des modèles et des applications spécifiques de la CE.
5TE, GS3, TEROS 12
Ces capteurs d'humidité du sol peuvent être utilisés pour déterminer :
G3 Drain Gauge et CTD + DG (capteur CE/température/profondeur)
Le G3 et le HYDROS 21 + DG peuvent être utilisés pour déterminer l'EC de l'eau interstitielle de l'eau de drainage du sol(σw,ECdrain) lorsqu'ils sont installés sous la zone des racines. Des échantillonneurs d'eau interstitielle peuvent également être utilisés pour déterminer l'EC de l'eau interstitielle(σw).
ES-2 capteur de température et de CE
Le ES-2 peut être utilisé pour déterminer l'EC de l'eau d'irrigation(σw, ECirrig) lorsqu'il est installé en ligne dans le tuyau d'irrigation (cela nécessite un étalonnage personnalisé).
Pluviomètre
Le pluviomètre peut être utilisé pour déterminer la profondeur de la pluie(Drain).
Débitmètre Badger
Cet instrument peut être utilisé pour déterminer la profondeur d'irrigation ((Dirrig) à condition que vous connaissiez la surface totale irriguée.
Hamed, Yasser, Magnus Persson et Ronny Berndtsson. "Soil solution electrical conductivity measurements using different dielectric techniques". Soil Science Society of America Journal 67, no. 4 (2003) : 1071-1078.(Lien article)
Hilhorst, Max A. "A pore water conductivity sensor". Soil Science Society of America Journal 64, no. 6 (2000) : 1922-1925.(Lien article)
Mualem, Y., et S. P. Friedman. "Theoretical prediction of electrical conductivity in saturated and unsaturated soil". Water Resources Research 27, no. 10 (1991) : 2771-2777.(Lien article)
Rhoades, J. D., P. A. C. Raats et R. J. Prather. "Effects of liquid-phase electrical conductivity, water content and surface conductivity on bulk soil electrical conductivity". Soil Science Society of America Journal 40 (1976) : 651-655.
Rhoades, J. D., N. A. Manteghi, P. J. Shouse et W. J. Alves. "Soil electrical conductivity and soil salinity : New formulations and calibrations". Soil Science Society of America Journal, no. 2 (1989) : 433-439.(Lien article)
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