Que vous soyez un étudiant de troisième cycle se lançant dans une campagne de mesure de l'environnement, un chercheur expérimenté ou un agriculteur soucieux de gérer l'irrigation, vous avez probablement réalisé à un moment donné qu'il vous fallait mesurer l'humidité du sol. Pourquoi ? Parce que la disponibilité de l'eau est l'un des principaux moteurs de la productivité des écosystèmes et que l'humidité du sol (c'est-à-dire la teneur en eau du sol/le potentiel hydrique du sol) est la source immédiate d'eau pour la plupart des plantes. Qu'est-ce que l'humidité du sol ? Vous trouverez ci-dessous une vue d'ensemble de la mesure de l'humidité du sol et une exploration de certains termes scientifiques importants utilisés en relation avec l'humidité du sol.
L'humidité du sol est plus que la simple connaissance de la quantité d'eau dans le sol. Il existe des principes de base que vous devez connaître avant de décider comment la mesurer. Voici quelques questions qui peuvent vous aider à vous concentrer sur ce que vous essayez réellement de découvrir.
Selon la question qui vous intéresse, l'humidité du sol peut avoir une signification très différente.
La plupart des gens ne considèrent l'humidité du sol que sous l'angle d'une seule variable : la teneur en eau du sol. Or, deux types de variables sont nécessaires pour décrire l'état de l'eau dans le sol : la teneur en eau, qui est la quantité d'eau, et le potentiel hydrique, qui est l'état énergétique de l'eau.
La teneur en eau du sol est une variable étendue. Elle varie en fonction de la taille et de la situation. Elle est définie comme la quantité d'eau par unité totale de volume ou de masse. En gros, c'est la quantité d'eau qu'il y a dans le sol.
Le potentiel hydrique est une variable "intensive" qui décrit l'intensité ou la qualité de la matière ou de l'énergie. Il est souvent comparé à la température. Tout comme la température indique le niveau de confort d'un être humain, le potentiel hydrique peut indiquer le niveau de confort d'une plante. Le potentiel hydrique est l'énergie potentielle par mole (unité de masse, de volume ou de poids) d'eau par rapport à de l'eau pure au potentiel zéro. Vous pouvez considérer le potentiel hydrique comme le travail nécessaire pour retirer une petite quantité d'eau du sol et la déposer dans une piscine d'eau pure et libre.
En savoir plus sur les variables intensives et extensives
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Cet article examine brièvement deux méthodes différentes de mesure de la teneur en eau du sol : la teneur en eau gravimétrique et la teneur en eau volumétrique.
La teneur en eau gravimétrique est la masse d'eau par masse de sol (c'est-à-dire les grammes d'eau par gramme de sol). Il s'agit de la principale méthode de mesure de la teneur en eau du sol, car la quantité d'eau du sol est mesurée directement par la mesure de la masse. Elle est calculée en pesant le sol humide prélevé sur le terrain, en le séchant dans une étuve, puis en pesant le sol sec.
La teneur en eau gravimétrique est donc égale à la masse du sol humide moins la masse du sol sec divisée par la masse du sol sec. En d'autres termes, la masse de l'eau divisée par la masse du sol.
La teneur en eau volumétrique est le volume d'eau par rapport au volume total du sol.
La teneur en eau volumétrique décrit la même chose que la teneur en eau gravimétrique, sauf qu'elle est exprimée en volume.
Par exemple, les composants d'un volume connu de sol sont présentés dans la figure 1. Le total des composants est de 100 %. Comme la teneur en eau volumétrique (CEV) est égale au volume d'eau divisé par le volume total du sol, dans ce cas, la CEV sera de 35 %. La teneur en eau volumétrique est parfois exprimée en cm3/cm3 ou en pouces par pied.
La teneur en eau gravimétrique(w) peut être convertie en teneur en eau volumétrique(ϴ) en la multipliant par la densité apparente sèche du sol(⍴b) (équation 3).
La teneur en eau gravimétrique étant la première méthode (ou méthode directe) de mesure de la quantité d'eau dans le sol, elle est utilisée pour développer des étalonnages et valider les lectures de presque toutes les mesures VWC qui sont détectées soit in situ soit à distance. Si vous disposez d'un capteur diélectrique, vous avez une relation qui convertit ce que vous lisez dans votre champ électromagnétique en teneur en eau du sol. Donc, si vous n'êtes pas sûr que votre teneur en eau volumétrique est correcte, prélevez un échantillon de sol, mesurez la teneur en eau gravimétrique, prélevez un échantillon de densité apparente et vérifiez par vous-même.
L'humidité du sol ne se résume pas à la connaissance de la quantité d'eau dans le sol. Apprenez les principes de base que vous devez connaître avant de décider comment la mesurer. Dans ce webinaire de 20 minutes, découvrez :
La plupart des mesures de la teneur en eau volumétrique sont effectuées à l'aide d'une sorte de capteur. Les capteurs de teneur en eau METER utilisent la technologie de la capacité. Pour effectuer cette mesure, ces capteurs tirent parti de la "polarité" de l'eau. Comment cela fonctionne-t-il ?
La figure 2 montre une molécule d'eau. Il y a un pôle négatif en haut avec un atome d'oxygène et un pôle positif en bas avec deux atomes d'hydrogène. Si nous introduisions un champ électromagnétique (figure 3) dans le sol, cette molécule d'eau se mettrait à danser. Si le champ était inversé, elle danserait dans l'autre sens. Ainsi, en créant un champ électromagnétique avec un capteur de teneur en eau, il est possible de mesurer l'effet de l'eau sur ce champ électromagnétique. S'il y a plus d'eau dans le sol, l'effet sera plus important. Pour en savoir plus sur la technologie de la capacité, cliquez ici.
L'utilisation d'un capteur de teneur en eau du sol permet d'obtenir une série chronologique (figure 4), un outil puissant pour comprendre ce qui se passe dans le sol. Pour mesurer la teneur en eau par gravimétrie, il faut prélever un échantillon ou une série d'échantillons et les ramener au laboratoire. Si vous avez besoin d'une série temporelle, cela n'est pas pratique car vous seriez essentiellement sur le terrain en train de prélever des échantillons en permanence.
Avec un capteur de teneur en eau, vous pouvez mesurer automatiquement le moment des changements de teneur en eau du sol et comparer les profondeurs dans un profil. Les formes de ces courbes fournissent des informations importantes sur l'évolution de l'eau dans votre sol.
Le tableau 1 compare les différentes méthodes de détection du sol.
| Teneur en eau gravimétrique | Capteurs VWC | Télédétection (SMOS) |
|---|---|---|
| Premiers principes/méthode directe | Pratique pour les séries chronologiques | Possibilité de réaliser des séries temporelles à une échelle limitée |
| Le temps est compté | Permet la détection des profils dans le temps | Extrêmement puissant pour l'échantillonnage spatial |
| Destructeur | Moins intrusif | |
| Un seul instantané dans le temps |
Tableau 1. Comparaison des méthodes de détection du sol
La teneur en eau gravimétrique est une bonne mesure de principe, mais elle prend du temps, est destructive et ne donne qu'un instantané dans le temps. Les capteurs de teneur en eau du sol fournissent une série chronologique, permettent d'établir des profils dans le temps et évitent un échantillonnage destructif, bien qu'un capteur soit toujours inséré dans le sol. La télédétection fournit une série temporelle à une échelle limitée, mais elle est extrêmement puissante pour l'échantillonnage spatial, ce qui est important pour mesurer la teneur en eau. Les capteurs d'humidité du sol METER réduisent les perturbations grâce à un outil d'installation spécialisé, conçu pour minimiser les perturbations du site (regardez la vidéo pour voir comment il fonctionne).
Si vous souhaitez obtenir des données précises sur l'humidité du sol, l'installation correcte du capteur doit être votre priorité numéro un. Lors des mesures dans le sol, les variations naturelles de densité peuvent entraîner une perte de précision de 2 à 3 %, mais une mauvaise installation peut potentiellement entraîner une perte de précision de plus de 10 %. Une mauvaise installation est la source d'erreur la plus courante dans les données sur l'humidité du sol, mais il existe des techniques qui garantissent une installation parfaite à chaque fois. Chris Chambers, expert en installation de capteurs, explique pourquoi vous avez besoin d'une installation plus intelligente des capteurs d'humidité du sol et comment y parvenir.
Apprenez :
En termes de teneur en eau volumétrique, un sol séché à l'étuve a une teneur en eau volumétrique de 0 % par définition. Il s'agit d'un point limite défini. L'eau pure se trouve à l'autre extrémité de l'échelle, à 100 %. Beaucoup de gens pensent qu'une teneur en eau volumétrique de 100 % correspond à un sol entièrement saturé, mais ce n'est pas le cas. Chaque type de sol se sature à des teneurs en eau différentes.
Le pourcentage de saturation est une façon de voir les choses :
% de saturation = VWC/porosité * 100
Si vous connaissez la porosité d'un type de sol donné, il est possible d'estimer la teneur en eau à saturation. Mais les sols atteignent rarement la saturation sur le terrain. Pourquoi ?
Dans la figure 5, vous pouvez voir que lorsque le sol adsorbe l'eau, il crée un film d'eau qui s'accroche aux particules du sol. Il y a également des pores remplis d'air. Dans les conditions du terrain, il est difficile d'éliminer ces espaces d'air. Ce piégeage de l'air est la raison pour laquelle le pourcentage de saturation sera rarement égal au maximum théorique de saturation pour un type de sol donné.
Le potentiel hydrique est l'autre variable utilisée pour décrire l'humidité du sol. Comme indiqué précédemment, il est défini comme l'état énergétique du sol ou l'énergie potentielle par mole d'eau par rapport à l'eau pure au potentiel zéro. Qu'est-ce que cela signifie ? Pour comprendre ce principe, comparez l'eau d'un échantillon de sol à l'eau d'un verre à boire. L'eau du verre est relativement libre et disponible ; l'eau du sol est liée aux surfaces et peut être diluée par des solutés et même sous pression. Par conséquent, l'eau du sol a un état énergétique différent de celui de l'eau "libre". L'eau libre est accessible sans effort. L'eau du sol ne peut être extraite qu'en dépensant une énergie équivalente ou supérieure à l'énergie avec laquelle elle est retenue. Le potentiel de l'eau exprime la quantité d'énergie qu'il faudrait dépenser pour extraire l'eau de l'échantillon de sol.
Le potentiel hydrique est la somme de quatre composantes différentes: le potentiel gravitationnel + le potentiel matriciel + le potentiel de pression + le potentiel osmotique (équation 4).
Le potentiel matriciel est la composante la plus importante en ce qui concerne le sol, car il est lié à l'eau qui adhère aux surfaces du sol. Dans la figure 6, le potentiel matriciel est à l'origine du film d'eau qui s'accroche aux particules du sol. Au fur et à mesure que l'eau s'écoule du sol, les pores remplis d'air s'agrandissent et l'eau se lie plus étroitement aux particules du sol à mesure que le potentiel matriciel diminue. Regardez la vidéo ci-dessous pour voir le potentiel matriciel en action.
Le gradient de potentiel hydrique est la force motrice de l'écoulement de l'eau dans le sol. Le potentiel hydrique du sol est le meilleur indicateur de l'eau disponible pour les plantes(apprenez pourquoi ici). Tout comme la teneur en eau, le potentiel hydrique peut être mesuré à l'aide de capteurs, à la fois en laboratoire et sur le terrain. Voici quelques exemples de différents types de capteurs de potentiel hydrique sur le terrain.
L'eau se déplace d'un point d'énergie élevé vers un point d'énergie plus faible jusqu'à ce que les points d'énergie atteignent l'équilibre, comme l'illustre la figure 6. Par exemple, si le potentiel hydrique d'un sol est de -50 kPa, l'eau se déplacera vers la valeur plus négative de -100 kPa pour devenir plus stable.
Cela correspond également à ce qui se passe dans le continuum plante-sol-atmosphère. Dans la figure 7, le sol est à -0,3 MPa et les racines sont légèrement plus négatives à -0,5 MPa. Cela signifie que les racines vont extraire l'eau du sol. L'eau remontera ensuite dans le xylème, puis dans les feuilles, en traversant ce gradient de potentiel. L'atmosphère, à -100 MPa, est à l'origine de ce gradient. Le potentiel hydrique définit donc la direction dans laquelle l'eau se déplacera dans le système.
L'eau disponible pour les plantes est la différence de teneur en eau entre la capacité du champ et le point de flétrissement permanent dans le sol ou le milieu de culture (voir les définitions ci-dessous). La plupart des cultures subiront une perte de rendement significative si le sol est laissé à l'état sec, même à proximité du point de flétrissement permanent. Pour maximiser le rendement des cultures, la teneur en eau du sol sera généralement maintenue bien au-dessus du point de flétrissement permanent, mais l'eau disponible pour les plantes reste un concept utile car il indique la taille du réservoir d'eau dans le sol. Avec quelques connaissances de base sur le type de sol, la capacité au champ et le point de flétrissement permanent peuvent être estimés à partir de mesures effectuées par des capteurs d'humidité du sol in situ. Ces capteurs fournissent en continu des données sur la teneur en eau du sol qui peuvent guider les décisions de gestion de l'irrigation afin d'augmenter le rendement des cultures et l'efficacité de l'utilisation de l'eau.
La capacité hydrique au champ est définie comme "la teneur en eau, en masse ou en volume, restant dans un sol deux ou trois jours après avoir été mouillé avec de l'eau et après que le drainage libre est négligeable". Glossaire des termes de la science du sol. Soil Science Society of America, 1997. On considère souvent qu'il s'agit de la teneur en eau à -33 kPa de potentiel hydrique pour les sols à texture fine ou à -10 kPa pour les sols sableux, mais il ne s'agit là que de points de départ grossiers. La capacité réelle au champ dépend des caractéristiques du profil du sol. Elle doit être déterminée à partir des données relatives à la teneur en eau relevées sur le terrain. Si vous examinez les données relatives à la capacité au champ, il est bon de savoir comment ce point a été obtenu.
Même si nous spécifions généralement la capacité au champ en termes de potentiel hydrique, il est important de comprendre qu'il s'agit en réalité d'une propriété d'écoulement. L'eau descend dans le profil du sol sous l'influence du gradient de potentiel gravitationnel. Elle continuera à descendre indéfiniment, mais à mesure que le sol s'assèche, la conductivité hydraulique diminue rapidement, rendant finalement le flux descendant faible par rapport aux pertes dues à l'évaporation et à la transpiration. Imaginez le sol comme un seau qui fuit. Les plantes essaient d'attraper une partie de l'eau lorsqu'elle descend dans la zone des racines.
À l'autre extrémité de l'échelle se trouve le point de flétrissement permanent. Le point de flétrissement permanent a été déterminé expérimentalement chez le tournesol et défini comme étant de -15 bars (-1500 kPa, Briggs et Shantz, 1912, p. 9). Il s'agit du potentiel du sol auquel les tournesols se flétrissent et sont incapables de se rétablir pendant la nuit. En théorie, c'est le réservoir vide, où il y a une perte totale de la pression de turgescence et où la plante est flétrie. Mais -1500 kPa n'est pas nécessairement le point de flétrissement de toutes les plantes. De nombreuses plantes se "flétrissent" à des moments différents ; certaines commencent à se protéger contre des dommages permanents bien avant -1500 kPa et d'autres bien après. Ainsi, -1500 kPa est un point de référence utile dans le sol, mais sachez qu'un cactus ne se soucie probablement pas de -1500 kPa, et qu'un pin ponderosa ne s'éteindra certainement pas à ce moment-là. Il peut donc avoir des significations différentes selon les plantes ou les cultures (pour en savoir plus : M.B. Kirkham. Principles of Soil and Plant Water Relations, 2005, Elsevier).
Vous pouvez rapidement et facilement déterminer le point de flétrissement permanent de n'importe quel sol à l'aide du logiciel METER. WP4C.
Pour tirer des conclusions significatives sur la teneur en eau, vous devez connaître votre type de sol.
La figure 8 est un tableau des classes de texture les plus courantes, du sable à l'argile. Chaque texture présente une distribution granulométrique différente. Le tableau 2 montre qu'à -1500 kPa (point de flétrissement permanent), chaque classe de texture a une teneur en eau différente. Il en va de même pour la capacité au champ.
| Texture | FC (v%) | PWP (v%) |
|---|---|---|
| Sable | 5 | 1 |
| Sable limoneux | 10 | 2 |
| Loam sableux | 17 | 6 |
| Loam sablo-argileux | 32 | 19 |
| Terreau | 27 | 14 |
| Sandy Clay | 38 | 28 |
| Loam limoneux | 27 | 13 |
| Limon | 24 | 10 |
| Argile Loam | 36 | 23 |
| Loam limono-argileux | 36 | 22 |
| Argile limoneuse | 40 | 28 |
| Argile | 42 | 32 |
Tableau 2. Capacité au champ représentative et point de flétrissement permanent pour différentes textures de sol
Il est intéressant de noter qu'un loam sableux et argileux peut avoir un indice d'humidité relative de 32 % à la capacité du champ (ce qui correspond à un sol bien hydraté), alors que pour un sol argileux, un indice de 32 % correspond à un point de flétrissement permanent. Cela signifie que vous devez prélever un échantillon de sol lorsque vous installez des capteurs afin de vous assurer que vous connaissez la texture de votre sol et ce qui s'y passe. Ceci est particulièrement important lorsqu'il y a des changements dans le type de sol : soit des changements dans le profil du sol, soit une variabilité spatiale d'un site à l'autre. Notez que le potentiel hydrique ne change pas en fonction de la situation. Pour tous ces types de sol, -33 kPa reste -33 kPa, qu'il s'agisse d'argile ou de sable. Si vous considérez un sol limoneux comme un sol de texture moyenne, sa teneur en eau à -33 kPa est de 27% et sa teneur en eau à -1500 kPa est de 13%. À une densité apparente typique, l'espace poreux total est d'environ 50 %. S'il était rempli, le sol serait saturé. Ainsi, à partir de la saturation (en supposant que la capacité au champ est de -33 kPa), la moitié de l'eau doit s'écouler pour atteindre la capacité au champ. Environ la moitié de l'eau restante est de l'eau disponible pour la plante. Une fois que la plante a extrait toute l'eau qu'elle pouvait, il reste dans le sol une quantité d'eau approximativement égale à l'eau disponible pour la plante, mais qui ne peut pas être éliminée par la plante.
Le PARIO est un instrument qui détermine automatiquement le type de sol et la distribution granulométrique de n'importe quel sol.
Il existe une relation entre le potentiel hydrique et la teneur en eau volumétrique qui peut être illustrée à l'aide d'une courbe de rétention d'eau du sol (parfois appelée courbe de restitution de l'humidité ou courbe caractéristique de l'eau du sol). La figure 9 montre des exemples de courbes pour trois sols différents. L'axe des x représente le potentiel hydrique sur une échelle logarithmique et l'axe des y la teneur en eau volumétrique. Les courbes de rétention d'eau du sol sont comme des empreintes digitales physiques, uniques pour chaque sol. En effet, la relation entre le potentiel hydrique et la teneur en eau du sol est différente pour chaque sol. Grâce à cette relation, vous pouvez déterminer le comportement de différents sols à n'importe quel endroit de la courbe. Vous pouvez répondre à des questions cruciales telles que : l'eau s'écoulera-t-elle rapidement à travers le sol ou sera-t-elle retenue dans la zone racinaire ? Les courbes de rétention d'eau du sol sont des outils puissants utilisés pour prévoir l'absorption d'eau par les plantes, le drainage en profondeur, le ruissellement, etc. Pour en savoir plus sur le fonctionnement de ces courbes, cliquez ici ou regardez Soil Moisture 201.
Le HYPROP est un instrument qui génère automatiquement des courbes de rétention d'eau du sol dans la plage humide. Vous pouvez créer des courbes de rétention sur toute la plage d'humidité du sol en combinant le HYPROP et le WP4C.
Avant de vous lancer dans une campagne de mesure de l'humidité du sol, posez-vous les questions suivantes :
Si vous souhaitez uniquement connaître la quantité d'eau stockée dans le sol, vous devez vous concentrer sur la teneur en eau du sol. Si vous voulez savoir où l'eau va se déplacer, le potentiel hydrique est la bonne mesure. Pour savoir si vos plantes peuvent obtenir de l'eau, vous devez mesurer le potentiel hydrique.
Pour en savoir plus, consultez l'article : "Pourquoi l'humidité du sol ne peut pas vous dire tout ce que vous devez savoir". Cependant, si vous voulez savoir quand arroser ou quelle quantité d'eau est stockée dans le sol pour vos plantes, vous avez probablement besoin à la fois de la teneur en eau et du potentiel hydrique. En effet, vous devez savoir quelle quantité d'eau se trouve physiquement dans le sol et à quel moment vos plantes ne pourront plus l'obtenir. Pour en savoir plus, consultez l'article : "Quand arroser : les doubles mesures résolvent le mystère".
Kirkham, Mary Beth. Principes des relations hydriques du sol et des plantes. Academic Press, 2014.
Taylor, Sterling A., et Gaylen L. Ashcroft. Physical edaphology. La physique des sols irrigués et non irrigués. 1972.
Hillel, Daniel. Principes fondamentaux de la physique des sols. Academic press, 2013.
Dane, Jacob H., G. C. Topp et Gaylon S. Campbell. Méthodes d'analyse des sols - Méthodes physiques. No. 631.41 S63/4. 2002.
Comprendre la différence entre les capteurs d'humidité du sol peut être déroutant. Les deux tableaux ci-dessous comparent les méthodes les plus courantes de mesure de l'humidité du sol, les avantages et les inconvénients de chacune d'entre elles et le type de situation dans lequel chaque méthode peut être utile. Tous les capteurs d'humidité du sol METER utilisent une technique de détection par capacitance à haute fréquence et un outil d'installation pour faciliter l'installation et garantir la plus grande précision possible. Pour des informations plus approfondies sur chaque méthode de mesure, regardez notre webinaire Soil moisture 102.
| Capteur | Pour | Cons | Quand utiliser |
|---|---|---|---|
| Résistance Sondes |
1. Des mesures continues peuvent être collectées à l'aide d'un enregistreur de données. 2. Prix le plus bas 3. Faible consommation d'énergie |
1. Précision médiocre : l'étalonnage varie en fonction du type de sol et de la teneur en sel du sol. 2. Les capteurs se dégradent avec le temps |
1. Lorsque vous souhaitez uniquement savoir si la teneur en eau a changé et que vous ne vous souciez pas de la précision. |
| Sondes TDR (domaine temporel) |
1. Des mesures continues peuvent être collectées à l'aide d'un enregistreur de données. 2. Précision grâce à un étalonnage spécifique au sol (2-3%) 3. Insensible à la salinité jusqu'à ce que le signal disparaisse 4. Respecté par les évaluateurs |
1. Plus compliqué à utiliser que la capacité* 2. Prend du temps à installer car vous devez creuser une tranchée plutôt qu'un trou. 3. Ne fonctionne plus en cas de salinité élevée 4. Consomme beaucoup d'énergie (grosses piles rechargeables) |
1. Si votre laboratoire possède déjà le système. Ils sont plus coûteux et plus complexes que la capacité, et des études montrent que le TDR et la capacité sont aussi précis l'un que l'autre avec l'étalonnage. |
| Capteurs de capacité | 1. Des mesures continues peuvent être collectées à l'aide d'un enregistreur de données. 2. Certains types sont faciles à installer 3. Précision avec un étalonnage spécifique au sol (2-3%) 4. Utilise peu d'énergie (petites batteries avec peu ou pas de panneau solaire) 5. Peu coûteux, vous pouvez obtenir beaucoup plus de mesures pour l'argent que vous dépensez. |
1. Devient imprécis en cas de salinité élevée (au-dessus de 8 dS/m d'extrait de saturation)**. 2. Certaines marques de faible qualité produisent une précision et des performances médiocres. |
1. Vous avez besoin d'un grand nombre d'emplacements de mesure 2. Vous avez besoin d'un système simple à déployer et à entretenir 3. Vous avez besoin d'une faible puissance 4. Vous avez besoin de plus de mesures par dollar dépensé |
| Sonde à neutrons | 1. Grand volume de mesure 2. Insensible à la salinité 3. Respecté par les évaluateurs, car c'est la méthode qui existe depuis le plus longtemps 4. N'est pas affectée par les problèmes de contact entre le sol et le capteur |
1. coûteux 2. Nécessite un certificat de radiation pour fonctionner 3. Extrêmement coûteux en temps 4. Pas de mesure en continu |
1. Vous disposez déjà d'une sonde à neutrons dans votre programme avec la certification, et vous savez déjà comment interpréter les données de la sonde à neutrons. 2. Vous mesurez des sols très salins ou des sols argileux à retrait-gonflement où le maintien du contact est un problème. |
| COSMOS | 1. Volume d'influence extrêmement important (800 m) 2. Automatisé 3. Efficace pour la vérification au sol des données satellitaires, car il lisse la variabilité sur une grande zone 4. N'est pas affecté par les problèmes de contact entre le sol et le capteur |
1. Le plus cher 2. Le volume de mesure est mal défini et varie en fonction de la teneur en eau du sol. 3. La précision peut être limitée par des facteurs confondants tels que la végétation. |
1. Lorsque vous avez besoin d'obtenir une moyenne de la teneur en eau sur une large zone 2. Vous vérifiez au sol des données satellitaires |
*Les sociétés Acclima et Campbell Scientific fabriquent des capteurs TDR et des sondes de profil qui intègrent un circuit de mesure, ce qui permet de surmonter le problème de la complexité auquel sont confrontés la plupart des systèmes TDR.
**La sensibilité dépend de la fréquence de mesure. Plus la fréquence est élevée, plus la sensibilité est faible.
| Résistance | TDR | Capacités | Sonde à neutrons | COSMOS | |
|---|---|---|---|---|---|
| Prix | Le plus bas | Modéré à élevé | Faible à modéré | Haut | Le plus élevé |
| Précision | Faible | Élevée* (avec étalonnage spécifique au sol) |
Élevée* (avec étalonnage spécifique au sol) |
Faible (s'améliore avec l'étalonnage sur le terrain) | Inconnu |
| Complexité | Facile | Facile à intermédiaire | Facile | Difficile | Difficile |
| Utilisation de l'énergie | Faible | Modéré à élevé | Faible | N/A | Haut |
| Sensibilité à la salinité | Extrême | 1. Aucune en cas de salinité faible à moyenne 2. Oui en cas de salinité élevée |
Oui en cas de forte salinité | Non | Non |
| Durabilité | Faible | Haut | Haut | Haut | Haut |
| Volume d'influence | Petite zone entre la sonde A et la sonde B | 0,25 litre à 2 litres en fonction de la longueur de la sonde et de la forme du champ électromagnétique | 0,25 litre à 2 litres en fonction de la longueur de la sonde et de la forme du champ électromagnétique | Sphère de 20 cm de diamètre lorsque le sol est humide, sphère de 40 cm de diamètre lorsque le sol est sec | Diamètre de 800 mètres |
*Certaines marques de qualité médiocre présentent une faible précision et des performances médiocres. Les plus grands risques pour la précision des capteurs TDR et capacitifs sont les trous d'air causés par une mauvaise installation, suivis par l'activité argileuse du sol (c'est-à-dire les argiles smectiques), puis par la salinité.
METER a créé la nouvelle gamme de capteurs TEROS pour éliminer les obstacles à une bonne précision, tels que l'incohérence de l'installation, la variabilité d'un capteur à l'autre et la vérification du capteur. Les capteurs d'humidité du solTEROS combinent une installation cohérente et sans faille avec un outil d'installation, une construction extrêmement robuste, une variabilité minimale d'un capteur à l'autre, un grand volume d'influence et un enregistrement avancé des données pour fournir les meilleures performances, la précision, la facilité d'utilisation et la fiabilité à un prix que vous pouvez vous permettre.
Vous voulez plus de détails ? Dans le webinaire ci-dessous, Leo Rivera, expert en humidité du sol, explique pourquoi nous avons passé 20 ans à créer la nouvelle gamme de capteurs TEROS .
Pour une plus grande précision, envisagez un étalonnage spécifique au sol. Les capteurs d'humidité du sol METER mesurent la teneur en eau volumétrique du sol en mesurant la constante diélectrique du sol, qui est une fonction importante de la teneur en eau. Cependant, tous les sols n'ont pas les mêmes propriétés électriques. En raison des variations de la densité apparente, de la minéralogie, de la texture et de la salinité du sol, l'étalonnage minéral générique des capteurs METER actuels donne une précision d'environ ± 3 à 4 % pour la plupart des sols minéraux et d'environ ± 5 % pour les substrats de culture sans sol (terreau, laine de roche, coco-coir, etc.). Cependant, la précision augmente à ± 1 à 2 % pour les sols et les substrats sans sol avec un étalonnage spécifique au sol. METER recommande aux utilisateurs de capteurs d'humidité du sol d'effectuer un étalonnage spécifique au sol ou d'utiliser notre service d'étalonnage spécifique au sol pour obtenir la meilleure précision possible dans les mesures de la teneur en eau volumétrique.
| TEROS 12 | TEROS 11 | TEROS 10 | EC-5 | 10HS | |
|---|---|---|---|---|---|
| Mesures | Teneur en eau volumétrique, température, conductivité électrique | Teneur en eau volumétrique, température | Teneur en eau volumétrique | Teneur en eau volumétrique | Teneur en eau volumétrique |
| Volume d'influence | 1010 mL | 1010 mL | 430 mL | 240 mL | 1320 mL |
| Sortie de mesure | Numérique SDI-12 | Numérique SDI-12 | Analogique | Analogique | Analogique |
| Durée de vie du champ | 10 ans et plus | 10 ans et plus | 10 ans et plus | 3-5 ans* | 3-5 ans* |
| Durabilité | Le plus élevé | Le plus élevé | Le plus élevé | Modéré | Modéré |
| Installation | Outil d'installation pour une grande précision | Outil d'installation pour une grande précision | Outil d'installation pour une grande précision | Installer à la main | Installer à la main |
Tableau 1. Tableau comparatif des capteurs d'humidité du sol
*Choisissez un capteur à longue durée de vie tel que TEROS si les conditions de terrain sont généralement chaudes et humides.
Le nombre de capteurs d'humidité du sol installés sur un site de recherche peut faire la différence entre prouver une hypothèse ou l'ignorer complètement. Combien de capteurs permettront d'obtenir l'image la plus complète de l'humidité du sol ? Il n'existe pas de réponse unique à toutes les questions. Les objectifs de l'étude, les exigences de précision, l'échelle et les caractéristiques spécifiques du site influencent tous le nombre de capteurs nécessaires. En outre, l'humidité du sol est variable à la fois dans l'espace et dans le temps. La compréhension des forces motrices de cette variabilité permet aux chercheurs de savoir comment procéder à l'échantillonnage.
Au sein d'un site d'étude, la variabilité de l'humidité du sol résulte des différences de texture du sol, de la quantité et du type de couverture végétale, de la topographie, des précipitations et d'autres facteurs météorologiques, des pratiques de gestion et des propriétés hydrauliques du sol (vitesse à laquelle l'eau se déplace dans le sol). Les chercheurs doivent tenir compte de la variabilité des caractéristiques du paysage pour se faire une idée du nombre de sites d'échantillonnage nécessaires pour saisir la diversité de l'humidité du sol.
La teneur en eau du sol peut également varier dans le temps, en fonction des précipitations, de la sécheresse, de l'irrigation et de l'évapotranspiration, et selon des schémas prévisibles associés aux conditions météorologiques saisonnières et à la diversité de la végétation (Wilson et al., 2004). Si ce concept est facile à appréhender, il devient plus complexe lorsqu'on considère la variabilité qui résulte de l'interaction entre les dynamiques temporelles et spatiales.
Les exemples suivants utilisent des données simulées pour illustrer les effets des différences spatiales et temporelles sur la teneur en eau du sol. Dans le premier exemple, la teneur en eau du sol est simulée pour le même site d'étude dans des conditions humides et sèches et les fonctions de densité de probabilité (PDF) sont calculées. Cet exemple démontre que les paramètres décrivant les PDF de l'humidité du sol ne sont pas statiques, mais qu'ils changent dans le temps en fonction des conditions d'humidité du sol.
Dans le second exemple, la teneur en eau du sol est simulée pour un seul point dans le temps, lorsque les conditions n'étaient ni humides ni sèches. Le PDF obtenu indique qu'il existe plus d'une "population" de teneur en eau du sol sur le site d'étude (figure 11). Plusieurs facteurs peuvent être à l'origine de cette situation. Il se peut qu'il y ait des zones avec des textures de sol différentes (par exemple, des zones sablonneuses plus sèches et des zones limoneuses plus humides), que la zone d'étude comprenne une topographie de basse altitude et des pentes de collines adjacentes, ou que la zone d'étude ait différents types de couverture végétale.
Les deux exemples simples ci-dessus démontrent la nature complexe de l'humidité du sol dans le temps et l'espace. Les deux exemples suggèrent que l'hypothèse de normalité n'est pas toujours valable lorsque l'on travaille sur la teneur en eau du sol dans des conditions de terrain (Brocca et al., 2007 ; Vereecken et al., 2014).
Si l'objectif est de déterminer la "vraie" teneur moyenne en eau du sol pour une zone d'étude, le plan d'échantillonnage doit tenir compte des sources de variabilité décrites ci-dessus. Si la zone d'étude présente des collines et des vallées, divers types de couvert végétal et des variations saisonnières des précipitations, les capteurs doivent être placés dans des zones qui représentent les principales sources d'hétérogénéité. Si, au contraire, le site d'étude est relativement homogène ou si le chercheur ne s'intéresse qu'au profil temporel de la teneur en eau du sol (par exemple, pour la programmation de l'irrigation), moins de capteurs d'humidité du sol peuvent être nécessaires en raison de l'autocorrélation temporelle dans les données (Brocca et al. 2010 ; Loescher et al., 2014).
La teneur en eau du sol est très dynamique dans le temps et dans l'espace. Il est difficile et laborieux de capturer toutes ces dynamiques à l'aide d'un échantillonnage ponctuel, bien que certains chercheurs choisissent cette voie. Comme dans beaucoup d'autres domaines de la science environnementale, certaines des connaissances les plus approfondies sur le comportement de l'humidité du sol émergent d'études utilisant des réseaux de capteurs in situ (Bogena et al., 2010 ; Brocca et al., 2010). Pour la plupart des applications, l'utilisation de mesures continues in situ vous permettra d'obtenir une meilleure compréhension de la teneur en eau du sol.
Pour un traitement plus approfondi de ce sujet, lisez les articles ci-dessous.
Baroni, G., B. Ortuani, A. Facchi, et C. Gandolfi. "Le rôle de la végétation et des propriétés du sol sur la variabilité spatio-temporelle de l'humidité du sol de surface dans un champ cultivé de maïs". Journal of Hydrology 489 (2013) : 148-159. Lien vers l'article.
Brocca, L., F. Melone, T. Moramarco et R. Morbidelli. "Spatial-temporal variability of soil moisture and its estimation across scales (Variabilité spatio-temporelle de l'humidité du sol et son estimation à travers les échelles)". Water Resources Research 46, no. 2 (2010). Lien vers l'article.
Brocca, L., R. Morbidelli, F. Melone et T. Moramarco. "Soil moisture spatial variability in experimental areas of central Italy" (Variabilité spatiale de l'humidité du sol dans des zones expérimentales du centre de l'Italie). Journal of Hydrology 333, no. 2 (2007) : 356-373. Lien vers l'article.
Bogena, H. R., M. Herbst, J. A. Huisman, U. Rosenbaum, A. Weuthen et H. Vereecken. "Potential of wireless sensor networks for measuring soil water content variability" (Potentiel des réseaux de capteurs sans fil pour mesurer la variabilité de la teneur en eau du sol). Vadose Zone Journal 9, no. 4 (2010) : 1002-1013. Lien vers l'article (accès libre).
Famiglietti, James S., Dongryeol Ryu, Aaron A. Berg, Matthew Rodell et Thomas J. Jackson. "Field observations of soil moisture variability across scales" (Observations sur le terrain de la variabilité de l'humidité du sol à travers les échelles). Water Resources Research 44, no. 1 (2008). Lien vers l'article (accès libre).
García, Gonzalo Martínez, Yakov A. Pachepsky et Harry Vereecken. "Effet des propriétés hydrauliques du sol sur la relation entre la moyenne spatiale et la variabilité de l'humidité du sol". Journal of hydrology 516 (2014) : 154-160. Lien vers l'article.
Korres, W., T. G. Reichenau, P. Fiener, C. N. Koyama, H. R. Bogena, T. Cornelissen, R. Baatz et al. "Spatio-temporal soil moisture patterns-A meta-analysis using plot to catchment scale data." Journal of hydrology 520 (2015) : 326-341. Lien de l'article (accès libre).
Loescher, Henry, Edward Ayres, Paul Duffy, Hongyan Luo et Max Brunke. "Variation spatiale des propriétés du sol parmi les écosystèmes nord-américains et lignes directrices pour les plans d'échantillonnage". PLOS ONE 9, no. 1 (2014) : e83216. Lien de l'article (accès libre).
Teuling, Adriaan J., et Peter A. Troch. "Amélioration de la compréhension de la dynamique de la variabilité de l'humidité du sol". Geophysical Research Letters 32, no. 5 (2005). Lien vers l'article (accès libre).
Vereecken, Harry, J. A. Huisman, Yakov Pachepsky, Carsten Montzka, J. Van Der Kruk, Heye Bogena, L. Weihermüller, Michael Herbst, Gonzalo Martinez et Jan Vanderborght. "On the spatio-temporal dynamics of soil moisture at the field scale". Journal of Hydrology 516 (2014) : 76-96. Lien vers l'article.
Wilson, David J., Andrew W. Western et Rodger B. Grayson. "Identification et quantification des sources de variabilité dans les observations temporelles et spatiales de l'humidité du sol". Water Resources Research 40, no. 2 (2004). Lien vers l'article (accès libre).
Les schémas de réapprovisionnement et d'utilisation de l'eau donnent lieu à d'importantes variations spatiales de l'humidité du sol sur la profondeur du profil du sol. Des mesures précises de la teneur en eau du profil sont donc à la base de toute étude du bilan hydrique. Lorsqu'elles sont contrôlées avec précision, les mesures du profil indiquent les taux d'utilisation de l'eau, les quantités de percolation en profondeur et les quantités d'eau stockées pour l'utilisation par les plantes.
La réalisation de mesures de la teneur en eau volumétrique de haute qualité se heurte à trois difficultés courantes :
Toutes les sondes diélectriques sont plus sensibles à la surface de la sonde. Toute perte de contact entre la sonde et le sol ou tout compactage du sol à la surface de la sonde peut entraîner d'importantes erreurs de mesure. L'eau qui s'accumule à la surface et qui s'écoule par des voies préférentielles dans les trous d'installation de la sonde peut également provoquer d'importantes erreurs de mesure.
L'installation de capteurs d'humidité du sol implique toujours des travaux de terrassement. Comment échantillonner avec précision le profil tout en perturbant le moins possible le sol? Examinez les avantages et les inconvénients de cinq stratégies différentes d'échantillonnage du profil.
Les sondes de profil sont une solution unique pour les mesures de la teneur en eau des profils. Une sonde installée dans un seul trou peut fournir des relevés à plusieurs profondeurs. Les sondes de profil peuvent donner de bons résultats, mais leur installation peut s'avérer délicate et les tolérances sont étroites. Il est difficile de forer un seul trou profond avec suffisamment de précision pour assurer un contact sur toute la surface de la sonde. Le remblayage destiné à améliorer le contact entraîne un ré-emboîtement et des erreurs de mesure. La sonde profilée est également particulièrement sensible aux problèmes d'écoulement préférentiel sur la longue surface du tube d'accès. (REMARQUE : le nouveau TEROS Borehole Installation Tool élimine l'écoulement préférentiel et réduit la perturbation du site tout en vous permettant d'installer des capteurs à la profondeur de votre choix).
L'installation de capteurs à différentes profondeurs à travers la paroi latérale d'une tranchée est une méthode simple et précise, mais le creusement de la tranchée représente un travail considérable. Cette méthode permet de placer les sondes dans un sol non perturbé, sans problème de tassement ou d'écoulement préférentiel de l'eau. Mais comme elle implique une excavation, elle n'est généralement utilisée que lorsque la tranchée est creusée pour d'autres raisons ou lorsque le sol est tellement pierreux ou plein de gravier qu'aucune autre méthode ne peut fonctionner. La zone excavée doit être remplie et remblayée à peu près à la même densité que le sol d'origine afin d'éviter les effets de bord excessifs.
L'installation de sondes à travers la paroi latérale d'un trou de tarière unique présente de nombreux avantages par rapport à la méthode des tranchées, sans l'équipement lourd. Cette méthode a été utilisée par Bogena et al. avec des sondes de EC-5 sondes. Ils ont fabriqué un appareil permettant d'installer des sondes à plusieurs profondeurs simultanément. Comme pour l'installation d'une tranchée, le trou doit être rempli et remblayé jusqu'à atteindre approximativement la densité de pré-échantillonnage afin d'éviter les effets de bord.
Un forage à la tarière perturbe les couches du sol, mais l'importance relative de l'impact sur le site est une fraction de ce qu'elle serait dans le cas d'une installation en tranchée. Une tranchée peut avoir une longueur de 60 à 90 cm et une largeur de 40 cm. Un forage réalisé à l'aide d'une petite tarière manuelle et de l'outil de forage TEROS Borehole Installation Tool crée un trou de 10 cm de diamètre seulement, soit 2 à 3 % de la surface d'une tranchée. Comme l'ampleur de la perturbation du site est réduite, moins de macropores, de racines et de plantes sont perturbés, et le site peut revenir à son état naturel beaucoup plus rapidement. En outre, lorsque l'outil d'installation est utilisé à l'intérieur d'un petit trou de forage, un bon contact entre le sol et le capteur est assuré, et il est beaucoup plus facile de séparer les couches d'horizon et de reconditionner à la densité correcte du sol, car il y a moins de sol à séparer.
Le fait de creuser un trou d'accès distinct pour chaque profondeur permet de s'assurer que chaque sonde est installée dans un sol non perturbé au fond de son propre trou. Comme pour toutes les méthodes, veillez à ce qu'il n'y ait pas d'écoulement préférentiel de l'eau dans les trous de tarière remblayés, mais une défaillance dans un seul trou ne compromet pas toutes les données, comme ce serait le cas si toutes les mesures étaient effectuées dans un seul trou.
Le principal inconvénient de cette méthode est qu'il faut creuser un trou pour chaque profondeur du profil. Les trous sont toutefois petits et donc généralement faciles à creuser.
Il est possible de mesurer l'humidité du profil en creusant un seul trou, en installant un capteur au fond, puis en rebouchant le trou, tout en installant des capteurs dans le sol rebouché aux profondeurs souhaitées au fur et à mesure. Cependant, comme la densité apparente du sol remblayé peut être différente de celle qu'il avait à l'état brut et comme le profil a été complètement modifié lors de l'excavation, du mélange et du remblayage du sol, cette méthode est la moins souhaitable de toutes celles qui ont été évoquées. Néanmoins, une installation à trou unique peut être tout à fait satisfaisante dans certains cas. Si on laisse l'installation s'équilibrer avec le sol environnant et si on laisse les racines se développer dans le sol, les changements relatifs dans le sol perturbé devraient refléter ceux de l'environnement.
Bogena, H. R., A. Weuthen, U. Rosenbaum, J. A. Huisman et H. Vereecken. "SoilNet-A Zigbee-based soil moisture sensor network" (Réseau de capteurs d'humidité du sol basé sur Zigbee). In AGU Fall Meeting Abstracts. 2007. Lien vers l'article.
Dans la vidéo ci-dessous, Chris Chambers, expert en installation de capteurs, explique pourquoi vous avez besoin d'une installation de capteurs d'humidité du sol plus intelligente et comment y parvenir. Apprenez :
Lorsqu'il s'agit de mesurer l'humidité du sol, la perturbation du site est inévitable. Nous pouvons nous rassurer en pensant que les capteurs de sol nous donneront des informations sur l'eau du sol même si une grande partie du sol du site a été perturbée. Nous pouvons aussi penser qu'il importe peu que les propriétés du sol soient modifiées autour du capteur parce que les aiguilles sont insérées dans un sol non perturbé. Le fait est que la perturbation du site est importante et qu'il existe des moyens de réduire son impact sur les données relatives à l'humidité du sol. Vous trouverez ci-dessous une exploration de la perturbation du site et de la manière dont les chercheurs peuvent adapter leurs techniques d'installation pour lutter contre l'incertitude de leurs données.
Lors de l'installation d'un capteur d'humidité du sol, il est important de perturber le moins possible le sol afin d'obtenir une mesure représentative. Il existe des méthodes sans perturbation, telles que le satellite, le radar à pénétration de sol et COSMOS. Toutefois, ces méthodes se heurtent à des difficultés qui les rendent impraticables en tant qu'approche unique de la teneur en eau. Le satellite a une grande empreinte, mais il mesure généralement les 5 à 10 cm supérieurs du sol, et la résolution et la fréquence de mesure sont faibles. Le géoradar a une grande résolution, mais il est coûteux et l'interprétation des données est difficile lorsqu'on ne connaît pas la profondeur de la limite inférieure. COSMOS est une méthode neutronique non invasive basée au sol qui mesure en continu et atteint une profondeur supérieure à celle d'un satellite sur une zone allant jusqu'à 800 mètres de diamètre. Mais son coût est prohibitif pour de nombreuses applications et elle est sensible à la fois à la végétation et au sol, de sorte que les chercheurs doivent séparer les deux signaux. Ces méthodes ne sont pas encore prêtes à remplacer les capteurs d'humidité du sol, mais elles fonctionnent bien lorsqu'elles sont utilisées en tandem avec les données de terrain que les capteurs d'humidité du sol peuvent fournir.
Après la perturbation d'un site de recherche, il peut s'écouler jusqu'à six mois, voire plus, avant que le sol ne revienne à son état naturel. Les facteurs d'influence comprennent les précipitations (les climats humides reviennent à la "normale" plus rapidement que les climats secs), le type de sol et la densité du sol. Il est fréquent que les chercheurs ignorent les deux ou trois premiers mois de données en attendant le retour à l'équilibre. Lorsque les chercheurs creusent, ils enlèvent de l'herbe ou des plantes matures, puis les remplacent. Souvent, ces plantes sont difficiles à réimplanter et, en cas de perturbation à grande échelle, un grand nombre d'entre elles ne se portent pas bien ou meurent. Comme ces plantes ne transpirent plus d'eau, l'équilibre hydrique est modifié, ce qui peut avoir un impact critique sur les données relatives à l'humidité du sol. Toute option permettant de perturber une surface moindre peut réduire la mortalité des plantes et améliorer les résultats.
Lorsque le sol est déplacé ou compacté, cela a un impact disproportionné sur les micro et macropores, de minuscules tubes capillaires avec une large gamme de tailles de pores qui donnent au sol sa structure et permettent le mouvement de l'eau. La perturbation du site et le compactage du sol détruisent les macropores du sol, ce qui ralentit le mouvement de l'eau et l'oblige à emprunter des voies différentes. Cela a un impact sur la recharge en dessous de la zone altérée. Toute option d'installation qui enlève moins de sol minimisera ce problème.
Le contraire du compactage se produit lorsque le sol est remblayé de manière trop lâche. Cela provoque un écoulement préférentiel le long des parois d'un trou de forage ou d'une tranchée, ce qui permet à l'eau de pénétrer dans la zone en plus grande quantité que d'habitude. Cet excès d'eau est souvent absorbé dans le sol non perturbé où sont insérées les aiguilles du capteur, ce qui fausse les données sur l'humidité du sol. Pour lutter contre ce problème, les chercheurs doivent prévoir du temps pour remblayer soigneusement le trou afin d'obtenir une densité appropriée. Pour ce faire, il faut ajouter de la terre et la tasser par couches jusqu'à ce qu'il y ait un léger monticule à la surface pour empêcher la formation de flaques d'eau. Si la surface est plate, le sol peut se déposer dans une dépression au fil du temps. Les grandes fosses peuvent donner lieu à des dépressions de taille importante qui recueilleront préférentiellement l'eau et modifieront la manière dont l'eau s'infiltre dans le sol autour des capteurs.
Le mélange des couches d'horizon du sol lors du remblaiement d'une fosse d'installation peut modifier radicalement les propriétés hydrauliques du sol. Par exemple : si un sol présente un horizon A sableux et un horizon B argileux, l'inversion ou le mélange des couches aurait des conséquences évidentes. Certaines couches de sol sont faciles à différencier, tandis que d'autres types de sol ont des horizons difficiles à distinguer. C'est pourquoi le sol doit être soigneusement enlevé et remis en place par couches, afin d'éviter toute modification de l'hydrologie du sol. Les chercheurs peuvent y parvenir en posant des bâches autour de la fosse d'installation et en retirant soigneusement le sol, couche par couche, en le plaçant sur les bâches dans l'ordre. Il est facile de mélanger les couches, c'est pourquoi il est utile de préparer une méthode pour se souvenir des couches avant de commencer. Après l'installation du capteur, les chercheurs doivent replacer les couches de terre dans la fosse dans l'ordre inverse, en les ré-emballant pour obtenir la densité correcte entre chaque couche.
Creuser une tranchée pour installer des capteurs d'humidité du sol peut potentiellement détruire de grands systèmes racinaires, en particulier si les chercheurs creusent dans une zone avec des arbustes et des arbres matures. Les racines étant le principal mécanisme d'épuisement de l'eau dans le sol, leur mort modifie la représentativité des mesures de l'humidité du sol pour l'ensemble de la zone de recherche. Si toutes les racines situées à proximité des capteurs sont tuées, les mesures peuvent suggérer que l'eau est plus abondante qu'elle ne l'est en réalité. Les chercheurs peuvent réduire ce problème en utilisant des trous de forage stratégiquement placés qui perturbent moins de systèmes racinaires.
L'un des avantages de l'installation d'une tranchée est que les chercheurs peuvent voir l'ensemble du profil du sol, ce qui leur permet d'identifier plus facilement les couches dures, de déterminer les horizons et les types de sol, et d'identifier la structure et la formation du sol. Toutefois, le creusement d'une grande tranchée entraîne l'enlèvement d'une quantité massive de sol. Et une fois que tout ce sol est remis en place, de nombreux macropores sont probablement écrasés et il existe désormais une discontinuité hydraulique dans le sol, ce qui augmente la possibilité que l'eau soit artificiellement détournée des capteurs ou dirigée vers eux. La situation empire si un chercheur utilise une pelleteuse pour gagner du temps. Les chenilles et les patins de la pelleteuse compactent le sol, surtout s'il est humide, et la grande pelle arrache les plantes et les systèmes racinaires.
Les sondes profilées sont séduisantes car elles utilisent de petits trous de forage qui perturbent moins le sol. Cependant, le facteur de forme rigide et rectiligne d'une sonde profilée exige une paroi parfaitement perpendiculaire pour assurer un bon contact entre le sol et le capteur. Malheureusement, les parois d'un trou de forage sont rarement parfaitement perpendiculaires. Il y a des courbes et des fosses le long de la paroi du sol. Une sonde profilée droite obtient rarement une bonne connectivité et l'installation est souvent perturbée par des trous d'air et des flux préférentiels. Les utilisateurs de sondes profilées essaient souvent de compenser en remblayant avec une boue épaisse, mais cette méthode présente également des difficultés, notamment l'introduction de sol non indigène et les imprécisions causées par les fissures qui se produisent lorsque le sol sèche.
Un forage perturbe les couches du sol, mais l'importance relative de l'impact sur le site est une fraction de ce qu'elle serait dans le cas d'une installation en tranchée. Une tranchée peut avoir une longueur de 60 à 90 cm et une largeur de 40 cm. Un forage réalisé à l'aide d'une petite tarière manuelle et de l'outil de forage TEROS Borehole Installation Tool crée un trou de 10 cm de diamètre seulement, soit 2 à 3 % de la surface d'une tranchée. Comme l'ampleur de la perturbation du site est réduite, moins de macropores, de racines et de plantes sont perturbés, et le site peut revenir à son état naturel beaucoup plus rapidement. En outre, lorsque l'outil d'installation est utilisé à l'intérieur d'un petit trou de forage, un bon contact entre le sol et le capteur est assuré, et il est beaucoup plus facile de séparer les couches d'horizon et de reconditionner à la densité correcte du sol, car il y a moins de sol à séparer.
La clé pour réduire l'impact de la perturbation du site sur les données relatives à l'humidité du sol est de contrôler l'ampleur de la perturbation. L'excavation à grande échelle affecte des zones plus vastes, alors que le forage d'un petit trou de sonde aura beaucoup moins d'impact sur les plantes environnantes et les propriétés hydrauliques du sol, ce qui permettra au site de recherche de revenir à son état naturel beaucoup plus rapidement.
Les courbes de libération de l'humidité du sol (également appelées courbes caractéristiques de l'eau du sol ou courbes de rétention de l'eau du sol) sont comme des empreintes digitales physiques, uniques à chaque type de sol. Les chercheurs les utilisent pour comprendre et prévoir le devenir de l'eau dans un sol particulier à une condition d'humidité spécifique. Les courbes de libération de l'humidité répondent à des questions essentielles telles que : à partir de quel taux d'humidité le sol subira-t-il un flétrissement permanent ? Combien de temps dois-je irriguer ? L'eau s'écoulera-t-elle rapidement à travers le sol ou sera-t-elle retenue dans la zone racinaire ? Ce sont des outils puissants utilisés pour prévoir l'absorption d'eau par les plantes, le drainage en profondeur, le ruissellement, etc.
Il existe une relation entre le potentiel hydrique et la teneur en eau volumétrique qui peut être illustrée à l'aide d'un graphique. Ensemble, ces données créent une courbe appelée courbe de restitution de l'humidité du sol. La forme de la courbe de libération de l'humidité du sol est propre à chaque sol. Elle est influencée par de nombreuses variables telles que la texture du sol, la densité apparente, la quantité de matière organique et la composition réelle de la structure des pores.
La figure 13 montre des exemples de courbes pour trois sols différents. L'axe X représente le potentiel hydrique sur une échelle logarithmique et l'axe Y la teneur en eau volumétrique. Cette relation entre la teneur en eau du sol et le potentiel hydrique (ou la succion du sol) permet aux chercheurs de comprendre et de prévoir la disponibilité et le mouvement de l'eau dans un type de sol particulier. Par exemple, dans la figure 13, vous pouvez voir que le point de flétrissement permanent (ligne verticale de droite) se situe à des teneurs en eau différentes pour chaque type de sol. Le loam sableux fin subira un flétrissement permanent à 5 % de la CVE, tandis que le loam limoneux subira un flétrissement permanent à près de 15 % de la CVE.
Pour comprendre les courbes de restitution de l'humidité du sol, il est nécessaire d'expliquer les propriétés extensives et intensives. La plupart des gens ne considèrent l'humidité du sol que sous l'angle d'une seule variable : la teneur en eau du sol. Or, deux types de variables sont nécessaires pour décrire l'état de la matière ou de l'énergie dans l'environnement. Une variable extensive décrit l'étendue (ou la quantité) de matière ou d'énergie. La variable intensive décrit l'intensité (ou la qualité) de la matière ou de l'énergie.
| Variable étendue | Intensif Variable |
|---|---|
| Volume | Densité |
| Teneur en eau | Potentiel hydrique |
| Teneur en chaleur | Température |
Tableau 1. Exemples de variables extensives et intensives
La teneur en eau du sol est une variable importante. Elle décrit la quantité d'eau présente dans l'environnement. Le potentiel hydrique du sol est une variable intensive. Elle décrit l'intensité ou la qualité (et dans la plupart des cas la disponibilité) de l'eau dans l'environnement. Pour comprendre comment cela fonctionne, pensez aux variables extensives et intensives en termes de chaleur. Le contenu thermique (variable extensive) décrit la quantité de chaleur stockée dans une pièce. La température (variable intensive) décrit la qualité (niveau de confort) ou la manière dont votre corps perçoit la chaleur dans cette pièce.
La figure 14 montre un grand navire dans l'Arctique et une canne à pêche qui vient d'être chauffée dans un feu. Lequel de ces deux objets a un contenu thermique plus élevé ? Il est intéressant de noter que le navire dans l'Arctique a un contenu thermique plus élevé que la barre chauffante, mais que c'est la barre qui a une température plus élevée.
Si nous mettons la barre chauffante en contact avec le navire, quelle variable régit le flux d'énergie ? La variable intensive, la température, régit la manière dont l'énergie se déplace. La chaleur se déplace toujours d'une température élevée à une température basse.
Comme pour la chaleur, la teneur en eau du sol n'est qu'une quantité. Elle ne nous dit pas comment l'eau va se déplacer ni le niveau de confort d'une plante (eau disponible pour la plante). En revanche, le potentiel hydrique du sol, la variable intensive, permet de prédire la disponibilité et le mouvement de l'eau.
Téléchargez le "Guide complet du potentiel hydrique à l'usage des chercheurs".
Les courbes de libération de l'humidité du sol peuvent être établies in situ ou en laboratoire. Sur le terrain, la teneur en eau et le potentiel hydrique du sol sont contrôlés à l'aide de capteurs.
Les capteurs diélectriques METER, simples et fiables, transmettent les données sur l'humidité du sol en temps quasi réel directement à l'enregistreur de donnéesZL6 sur le site cloud (ZENTRA Cloud). Cela permet d'économiser une quantité énorme de travail et de dépenses. Le TEROS 12 mesure la teneur en eau et est facile à installer avec l'outil d'installation de forageTEROS . Le TEROS 21 est un capteur de potentiel hydrique facile à installer sur le terrain.
Dans le laboratoire, vous pouvez combiner les fonctions METER HYPROP et WP4C pour générer automatiquement des courbes complètes de libération de l'humidité du sol sur toute la plage d'humidité du sol.
Comparez les courbes de dégagement d'humidité en laboratoire et in situ.
Une courbe de restitution de l'humidité du sol relie la variable extensive de la teneur en eau volumétrique à la variable intensive du potentiel hydrique. La représentation graphique des variables extensives et intensives permet aux chercheurs et aux irrigants de répondre à des questions cruciales, telles que l'endroit où l'eau du sol se déplacera. Par exemple, dans la figure 15 ci-dessous, si les trois sols ci-dessous étaient des couches d'horizons différents à une teneur en eau de 15 %, l'eau contenue dans le sable fin limoneux commencerait à se déplacer vers la couche de sable fin limoneux parce qu'elle a un potentiel hydrique plus négatif.
Une courbe de restitution de l'humidité du sol peut également être utilisée pour prendre des décisions en matière d'irrigation, comme le moment où il faut mettre l'eau en marche et celui où il faut l'arrêter. Pour ce faire, les chercheurs ou les irrigants doivent comprendre à la fois la teneur en eau volumétrique (VWC) et le potentiel hydrique. La teneur en eau volumétrique indique à l'agriculteur la quantité d'irrigation à appliquer. Quant au potentiel hydrique, il indique dans quelle mesure l'eau est disponible pour les cultures et quand arrêter l'arrosage. Voici comment cela fonctionne.
Figure 16. Courbes typiques de libération de l'humidité pour trois sols différentsLa figure 16 montre des courbes typiques de libération de l'humidité pour un sable limoneux, un limon argileux et un sol argileux. À -100 kPa, la teneur en eau du sol sableux est inférieure à 10 %. Mais dans le loam limoneux, elle est d'environ 25 % et dans le sol argileux, elle est proche de 40 %. La capacité au champ se situe généralement entre -10 et -30 kPa. Et le point de flétrissement permanent se situe autour de -1500 kPa. Un sol plus sec que ce point de flétrissement permanent ne fournirait pas d'eau à une plante. Et l'eau contenue dans un sol plus humide que la capacité du champ s'écoulerait du sol. Un chercheur/irrigateur peut examiner ces courbes et déterminer la teneur en eau optimale pour chaque type de sol.
La figure 17 est la même courbe de libération d'humidité montrant la plage de capacité du champ (lignes verticales vertes), la limite inférieure normalement fixée pour une culture irriguée (jaune) et le point de flétrissement permanent (rouge). En utilisant ces courbes, un chercheur/irrigateur peut voir que le potentiel hydrique du limon loam doit être maintenu entre -10 et -50 kPa. Et la teneur en eau qui correspond à ces potentiels hydriques indique à l'irrigateur que les niveaux de teneur en eau du limon doivent être maintenus à environ 32 % (0,32 m3/m3). Les capteurs d'humidité du sol peuvent l'alerter lorsqu'il dépasse ou se trouve en dessous de cette limite optimale.
Une fois les informations obtenues à partir d'une courbe de libération, l'enregistreur de données de METER et le logiciel d'analyse des données de METER peuvent être utilisés. ZL6 enregistreur de données et ZENTRA Cloud simplifient le processus de maintien d'un niveau d'humidité optimal. Des limites supérieures et inférieures peuvent être définies sur ZENTRA cloud , et elles apparaissent sous la forme d'une bande ombrée superposée aux données d'humidité du sol en temps quasi réel (ombres bleues), ce qui permet de savoir facilement à quel moment il faut activer ou désactiver l'arrosage. Des avertissements sont même automatiquement envoyés lorsque ces limites sont approchées ou dépassées.
En savoir plus sur l'amélioration de l'irrigation grâce à l'humidité du sol
La mise en place de capteurs de potentiel hydrique et de capteurs d'humidité du sol in situ permet d'ajouter de nombreuses courbes de libération d'humidité à la base de connaissances d'un chercheur. Et comme c'est principalement la performance en place des sols non saturés qui préoccupe les ingénieurs géotechniques et les spécialistes de l'irrigation, l'idéal serait d'ajouter des mesures in situ aux courbes produites en laboratoire.
Dans le webinaire ci-dessous, Colin Campbell, chercheur scientifique de METER, résume un article récent présenté à la Conférence panaméricaine des sols non saturés. L'article, "Comparing in situ soil water characteristic curves to those generated in the lab" par Campbell et al. (2018), illustre à quel point les SWCC générées in situ à l'aide du capteur de potentiel matrique calibré TEROS 21 et des capteurs de teneur en eau METER sont comparables à celles créées en laboratoire.
Les courbes de restitution de l'humidité du sol peuvent fournir encore plus de renseignements et d'informations qui dépassent le cadre de cet article. Les chercheurs les utilisent pour comprendre de nombreuses questions telles que la capacité de retrait-gonflement du sol, la capacité d'échange cationique ou la surface spécifique du sol. Dans la vidéo suivante, Leo Rivera, expert en humidité du sol, donne des informations plus détaillées sur la manière d'utiliser une courbe de libération de l'humidité pour analyser les comportements individuels du sol par rapport à l'eau.
Dans cette section, lisez ce qui suit :
Lorsque l'on cherche à savoir quel capteur de teneur en eau du sol conviendra le mieux à une application, il est facile de négliger la question évidente : qu'est-ce qui est mesuré ? La réflectométrie temporelle (TDR) par rapport à la capacité est la bonne question pour un chercheur qui étudie la permittivité diélectrique sur un large spectre de fréquences de mesure (appelé spectroscopie diélectrique). Ces données contiennent des informations importantes, comme la possibilité de mesurer la densité apparente ainsi que la teneur en eau et la conductivité électrique. Si c'est la mesure souhaitée, une seule technologie fait actuellement l'affaire : TDR. La réflectance de l'impulsion électrique qui se déplace le long des tiges conductrices contient une large gamme de fréquences. Une fois numérisées, ces fréquences peuvent être séparées par la transformée de Fourier rapide et analysées pour obtenir des informations supplémentaires.
L'objectif de la majorité des scientifiques est toutefois de surveiller simplement la teneur en eau du sol, instantanément ou au fil du temps, avec une bonne précision, ce qui signifie qu'un système TDR complexe et coûteux n'est peut-être pas nécessaire.
Les techniques de capteurs d'humidité du sol de type capacitif et TDR sont souvent regroupées parce qu'elles mesurent toutes deux la permittivité diélectrique du milieu environnant. En fait, il n'est pas rare que des personnes confondent les deux, suggérant qu'une sonde donnée mesure la teneur en eau sur la base du TDR alors qu'elle utilise en réalité la capacité. Vous trouverez ci-dessous une clarification de la différence entre les deux techniques.
La technique de la capacité permet de déterminer la permittivité diélectrique d'un milieu en mesurant le temps de charge d'un condensateur, qui utilise ce milieu comme diélectrique. Nous définissons d'abord une relation entre le temps, t, nécessaire pour charger un condensateur à partir d'une tension de départ, Vi à une tension Vf avec une tension appliquée, Vf.
où R est la résistance en série et C la capacité. Le chargement du condensateur est illustré à la figure 1 :
Si la résistance et le rapport de tension sont maintenus constants, le temps de charge du condensateur, t, est lié à la capacité selon la formule suivante
Pour un condensateur à plaques parallèles, la capacité est fonction de la permittivité diélectrique(k) du milieu entre les plaques du condensateur et peut être calculée comme suit
où A est la surface des plaques et S la séparation entre les plaques. Comme A et S sont également des valeurs fixes, le temps de charge du condensateur est une simple fonction linéaire (idéalement) de la permittivité diélectrique du milieu environnant.
Les sondes de sol ne sont pas des condensateurs à plaques parallèles, mais la relation présentée dans l'équation 7 est valable quelle que soit la géométrie de la plaque. La réflectométrie temporelle (TDR) détermine la permittivité diélectrique d'un milieu en mesurant le temps nécessaire à une onde électromagnétique pour se propager le long d'une ligne de transmission entourée par le milieu. Le temps de transit(t) d'une impulsion électromagnétique pour parcourir la longueur d'une ligne de transmission et revenir est lié à la permittivité diélectrique du milieu, k, par l'équation suivante
où L est la longueur de la ligne de transmission et c la vitesse de la lumière (3 x 108 m s dans le vide). Ainsi, la permittivité diélectrique est calculée
Par conséquent, le temps de propagation de l'onde électromagnétique le long de la sonde TDR n'est qu'une fonction du carré du temps de transit et d'une valeur fixe(c/2L). Comme c et L sont respectivement une constante et une longueur fixe, les mesures TDR sont théoriquement moins sensibles aux conditions du sol et de l'environnement que les capteurs capacitifs. Cependant, l'interprétation des données TDR peut être une source d'erreur considérable lorsque la salinité élevée diminue la forme d'onde de la réflectance ou que la température modifie le point final.
An oscillating voltage must be applied to a TDR or capacitance sensor to measure the reflection or charge time in the medium. The frequency of the oscillation is important because it is widely accepted that low frequencies (<10 MHz) are highly susceptible to changes in salinity and temperature. Because there is no limit on the possible input frequencies for either technique, it is important to verify the frequency of the soil moisture device used.
Les capteurs capacitifs fabriqués par METER utilisent des fréquences élevées pour minimiser les effets de la salinité du sol sur les relevés. Les fréquences utilisées sont cependant beaucoup plus basses que pour le TDR, typiquement de 50 à 100 MHz. La fréquence élevée des sondes capacitives "voit" toute l'eau contenue dans le sol, tout en étant suffisamment élevée pour éviter la plupart des erreurs dues à la salinité du sol présentes dans les anciennes sondes capacitives. Les circuits des capteurs capacitifs peuvent être conçus pour détecter des variations extrêmement faibles de la teneur en eau volumétrique, à tel point que la NASA a utilisé la technologie capacitive pour mesurer la teneur en eau sur Mars. Les capteurs capacitifs sont moins coûteux car ils ne nécessitent pas beaucoup de circuits, ce qui permet d'effectuer plus de mesures par dollar.
Comme les sondes TDR, les capteurs de capacité sont relativement faciles à installer. Les pointes de mesure ont tendance à être plus courtes que celles des sondes TDR, de sorte qu'il est moins difficile de les insérer dans un trou. Les capteurs de capacité ont généralement des besoins énergétiques moindres et peuvent durer des années sur le terrain, alimentés par une petite batterie dans un enregistreur de données.
En résumé, bien que la théorie qui sous-tend les mesures soit quelque peu différente, le TDR et la capacitance mesurent tous deux la permittivité diélectrique pour obtenir la teneur en eau volumétrique. D'un point de vue historique, le TDR et la capacitance ont tous deux été largement acceptés, bien que certains puissent percevoir une plus grande valeur dans le TDR par rapport à la capacitance en raison de l'extrême différence de prix. En général, des mesures raisonnables de la teneur en eau volumétrique peuvent être obtenues à l'aide de l'une ou l'autre technique, et les erreurs de mesure sont souvent dues à de mauvaises méthodes d'installation plutôt qu'à des limitations des techniques elles-mêmes. Le nouveau TEROS Borehole Installation Tool réduit l'incertitude des données en protégeant l'installation des capteurs d'humidité du sol contre les erreurs. Grâce à son avantage mécanique, l'outil permet une installation cohérente et impeccable dans n'importe quel type de sol (même l'argile dure) tout en minimisant la perturbation du site. Les capteurs sont installés en ligne droite et perpendiculairement avec une pression uniforme, puis relâchés doucement pour éviter les trous d'air et les flux préférentiels. Cela signifie que la gamme de capteurs capacitifs d'humidité du sol TEROS est capable de fournir plus de précision avec moins d'incertitude que les capteurs similaires sur le marché.
Lorsque la technologie de la capacitance a été utilisée pour la première fois pour mesurer l'humidité du sol dans les années 1970, les scientifiques se sont rapidement rendu compte que la vitesse à laquelle le champ électromagnétique était chargé et déchargé était déterminante pour le succès de la mesure. Les basses fréquences ont eu des effets importants sur la salinité du sol. Au fil du temps, cette nouvelle compréhension, combinée aux progrès de la vitesse de l'électronique, a permis d'ajuster l'approche capacitaire originale pour qu'elle soit couronnée de succès. Les capteurs capacitifs modernes, tels que les capteurs METER, utilisent des fréquences élevées (70 MHz) pour minimiser les effets de la salinité du sol sur les relevés.
Le circuit des capteurs capacitifs peut être conçu pour résoudre des variations extrêmement faibles de la teneur en eau volumétrique, à tel point que la NASA a utilisé la technologie capacitive de METER pour mesurer la teneur en eau sur Mars. Les capteurs capacitifs d'humidité du sol sont faciles à installer et consomment peu d'énergie. Ils peuvent durer des années sur le terrain, alimentés par une petite batterie dans un enregistreur de données.
Les capteurs d'humidité du sol TEROS et ECH20utilisent la même technologie de capacité à haute fréquence (70 MHz) qui a fait ses preuves et qui a été publiée dans des milliers d'articles évalués par des pairs. La figure 20 montre les données d'étalonnage pour l'ECH205TE et TEROS 12.
La nouvelle ligneTEROS , cependant, tire parti des progrès des techniques d'étalonnage, d'un outil d'installation et de meilleures matières premières pour produire des capteurs plus durables, plus précis, plus faciles et plus rapides à installer, plus cohérents et liés à un système puissant et intuitif d' enregistrement et de visualisation des données en temps quasi réel (figure 21).
Voici quelques-uns des changements que vous constaterez dans la nouvelle gamme de capteurs de teneur en eau TEROS :
Variabilité minimale d'un capteur à l'autre : les capteursTEROS 11/12 utilisent une procédure d'étalonnage entièrement nouvelle qui maximise la précision et minimise la variabilité d'un capteur à l'autre tout en maintenant le coût du capteur à un niveau raisonnable. Vous pouvez donc être sûr que chaque capteur que vous installez sera exactement comme le suivant.
Grand volume d'influence : Les capteurs TEROS 11/12 fournissent un volume d'influence d'un litre (contre 200 ml pour la plupart des capteurs).
Capteur fiable et à longue durée de vie : Les aiguilles en acier inoxydable de haute qualité, mieux affûtées, se glissent facilement dans les sols, même les plus durs, et un remplissage en époxy durable permet au capteur de durer jusqu'à 10 ans sur le terrain. Dans le TEROS 12, nous avons positionné un capteur de température parfaitement à l'intérieur de l'aiguille centrale, de sorte que les aiguilles sont robustes, mais extrêmement sensibles aux changements de température du sol.
Réduction des erreurs d'installation : Le nouveau TEROS Borehole Installation Tool évite les erreurs d'installation et permet une insertion cohérente et parfaite dans tout type de sol (même l'argile dure) tout en réduisant au minimum les perturbations du site. Les capteurs sont installés parfaitement perpendiculairement à la paroi latérale avec une pression uniforme, puis relâchés doucement pour éviter les trous d'air.
Norme de vérification: la répétabilité du capteur TEROS peut être vérifiée à l'aide d'une norme de vérification de la précision. Aucun autre capteur d'humidité du sol n'a cette capacité. Il suffit de glisser le clip de vérification sur un capteur et de le brancher sur un enregistreur. Si la lecture se situe dans la bonne plage, votre capteur est prêt à fonctionner.
Collecte de données sans faille : Pour une collecte de données facile et fiable, combinez les capteurs TEROS avec le nouveau système de gestion des données. ZL6Les données sont transmises en temps quasi réel par l'intermédiaire de l'interface utilisateur. cloud.
Nous avons créé la nouvelle gamme de capteurs TEROS pour éliminer les obstacles à une bonne précision tels que l'incohérence de l'installation, la variabilité d'un capteur à l'autre et la vérification du capteur. Les capteurs d'humidité du solTEROS utilisent la même technologie ECH20fiable, mais vont au-delà de la gamme ECH20pour optimiser la précision de l'ensemble des données. Ils combinent une installation cohérente et sans faille, une construction extrêmement robuste, une variabilité minimale d'un capteur à l'autre, un grand volume d'influence et un enregistrement avancé des données pour offrir les meilleures performances, la meilleure précision, la plus grande facilité d'utilisation et la plus grande fiabilité à un prix abordable.
L'objectif de tout chercheur est d'obtenir des données de terrain utilisables pendant toute la durée d'une étude. Un bon ensemble de données est celui qu'un scientifique peut utiliser pour tirer des conclusions ou apprendre quelque chose sur le comportement des facteurs environnementaux dans une application particulière. Cependant, comme de nombreux chercheurs l'ont douloureusement découvert, obtenir de bonnes données n'est pas aussi simple que d'installer des capteurs, de les laisser sur le terrain et de revenir pour trouver un enregistrement précis. Ceux qui ne planifient pas à l'avance, qui ne vérifient pas souvent les données et qui ne procèdent pas à des dépannages réguliers ont souvent des surprises désagréables : câbles d'enregistreurs de données débranchés, câbles de capteurs endommagés par des rongeurs, ou pire : ils n'ont pas assez de données pour interpréter leurs résultats. Heureusement, la plupart des mésaventures liées à la collecte de données peuvent être évitées avec un équipement de qualité, un peu de prévoyance et un minimum de préparation.
Vous trouverez ci-dessous quelques erreurs courantes commises lors de la conception d'une étude, qui leur font perdre du temps et de l'argent et peuvent empêcher l'utilisation de leurs données.
Lors de la conception d'une étude, utilisez les meilleures pratiques suivantes pour simplifier la collecte des données et éviter les oublis qui empêchent les données d'être utilisables et, en fin de compte, publiables.
La mise en place de capteurs en laboratoire avant d'aller sur le terrain aide le chercheur à comprendre le fonctionnement de ses capteurs. Par exemple, les scientifiques peuvent effectuer des relevés de capteurs de sol dans différents types de sol, ce qui leur permettra de bien comprendre les valeurs d'humidité du sol auxquelles ils doivent s'attendre dans différents scénarios. La mise au point des capteurs avant d'aller sur le terrain aide les chercheurs à comprendre comment les installer correctement, combien de temps cela peut prendre, et leur permet de diagnostiquer les problèmes, comme un capteur dont la lecture est incorrecte. Pendant ce temps, ils peuvent déterminer les outils et l'équipement dont ils auront besoin pour l'installation. Le fait de disposer d'une boîte à outils dédiée à l'installation, remplie d'outils importants tels que des colliers de serrage, des pinces, des marqueurs, des lampes de poche et des piles, peut permettre d'économiser des heures d'allers-retours sur le site.
Si un chercheur utilise un enregistreur de données qui nécessite une programmation, il doit apprendre le langage de programmation deux semaines à l'avance afin de s'assurer qu'il comprend comment écrire des programmes pour l'enregistreur. Même un enregistreur de données plug-and-play, cloud , tel que le ZL6 devra être préparé avant l'installation, par exemple en s'assurant que le site de recherche est à portée d'une tour de téléphonie mobile.
Les chercheurs doivent établir un plan du site à l'aide d'une carte et se rappeler qu'une installation prend généralement deux fois plus de temps qu'ils ne le pensent. Le fait de disposer d'un plan du site permet de réduire considérablement les erreurs humaines, en particulier lorsque l'on est pressé par le temps. Lorsqu'ils arrivent sur le site de recherche, les scientifiques peuvent procéder à l'installation conformément au plan et noter les ajustements apportés à la carte au fur et à mesure. Cette étape permet de gagner beaucoup de temps à l'avenir si eux ou d'autres collègues doivent trouver et déterrer un capteur problématique. Il est également important de disposer d'un plan de secours en cas de problème. Par exemple, que faire si le sol est trop rocailleux à une certaine profondeur ? Ou que se passera-t-il si une station météorologique ou un capteur d'humidité ne peut être installé à deux mètres ? Les chercheurs doivent réfléchir à ce qu'ils feront si leur plan initial ne fonctionne pas, car souvent, ils ne pourront pas retourner sur le site pendant des semaines ou des mois.
Avant de choisir un site, les scientifiques doivent définir clairement les objectifs de la collecte de données. Ils doivent savoir ce qu'ils vont faire avec les données, afin que celles-ci puissent répondre aux bonnes questions. Une fois les objectifs compris, le chercheur peut commencer à comprendre où placer ses capteurs.
La variabilité est la question la plus importante à laquelle un chercheur est confronté lorsqu'il s'agit de déterminer où placer ses capteurs. Par exemple, les scientifiques qui étudient le sol devront comprendre les facteurs de variabilité tels que la pente, l'aspect, le type de végétation, la profondeur, le type de sol et la densité du sol. S'ils étudient une canopée, ils devront comprendre l'hétérogénéité de la couverture végétale et se déployer en conséquence. Si un chercheur compare des données, il devra être cohérent avec l'emplacement des capteurs. Cela signifie que les hauteurs au-dessus du sol ou les profondeurs sous le sol doivent être cohérentes d'un site à l'autre. Il est impossible de contrôler toutes les sources de variabilité, les chercheurs doivent donc contrôler les sources les plus importantes. Pour un examen plus approfondi de la variabilité, lisez "Capteurs d'humidité du sol : Combien en faut-il ?"
Le choix du site doit également être pratique. Les chercheurs devront consulter les données aussi souvent que possible (nous recommandons au moins une fois par mois) pour s'assurer que tout fonctionne correctement, et l'enregistreur de données doit donc être accessible. Les enregistreurs de données cellulaires facilitent grandement l'accès aux données, en particulier sur les sites éloignés. Le téléchargement des données sur le site cloud permet aux scientifiques d'accéder aux données, de les partager et de les dépanner tous les jours depuis le confort de leur bureau.
De même, lorsque vous choisissez l'emplacement de l'enregistreur de données, essayez d'éviter les longs câbles qui peuvent causer des gradients de potentiel de tension en cas de foudre. Choisissez un emplacement où les capteurs seront faciles à brancher, et attachez des câbles supplémentaires au poteau à l'aide d'une fermeture éclair pour éviter que les câbles ne soient arrachés de l'enregistreur. Des capteurs débranchés ou des connexions rompues peuvent être catastrophiques pour une étude.
Plus les chercheurs enregistrent de métadonnées sur un site de recherche, mieux ils comprennent leurs données et plus ils gagnent du temps à long terme. Certains enregistreurs de données, tels que le ZL6 enregistrent automatiquement des métadonnées importantes, telles que la position GPS, la pression barométrique et le numéro de série du capteur. En outre, les mesures auxiliaires telles que la température du sol ou la surveillance du microclimat peuvent constituer une autre source de métadonnées. Une station météorologique tout-en-un telle que la ATMOS 41 enregistre automatiquement les événements météorologiques et peut constituer un moyen important de comparer ou de vérifier l'humidité du sol, le potentiel hydrique ou d'autres données.
Pour documenter les informations sur le site qui ne sont pas automatiquement enregistrées par les instruments de terrain, de nombreux scientifiques trouvent pratique de créer une feuille de travail commune de caractérisation du site qu'ils peuvent utiliser pour informer d'autres collègues travaillant sur le site. Les métadonnées qui seront essentielles pour l'analyse et la publication futures des données sont : le type de sol, la densité du sol, les types de couverture, l'intervalle de mesure, les données brutes et le type d'étalonnage utilisé, des notes sur un système d'irrigation (le cas échéant), quels capteurs d'humidité du sol sont installés à quelle profondeur, des notes sur la raison pour laquelle le site a été choisi, des événements qui pourraient affecter votre collecte de données tels qu'une récolte, ou toute autre information qui pourrait être difficile à se rappeler lors de l'analyse des données. Ces informations seront importantes au moment de la publication, et le fait de les placer dans un endroit partagé, à l'adresse cloud, vous évitera bien des maux de tête.
Si un scientifique souhaite obtenir des données précises, l'installation correcte du capteur doit être sa priorité numéro un. Par exemple, lors de mesures dans le sol, les variations naturelles de densité peuvent entraîner une perte de précision de 2 à 3 %, mais une mauvaise installation peut potentiellement entraîner une perte de précision de plus de 10 %. L'installation correcte des capteurs ne demande pas beaucoup de temps supplémentaire, c'est pourquoi les chercheurs doivent lire attentivement les instructions (pour des informations plus détaillées, lisez "Capteurs d'humidité du sol : quelle est la meilleure méthode d'installation ?)Après l'installation des capteurs, mais avant de refermer le trou de tarière ou la tranchée, veillez à vérifier les capteurs à l'aide d'un appareil de lecture instantanée portatif. ZSCnotre appareil portatif de lecture instantanée, pour vous assurer que la lecture est précise. Il sera pénible de déterrer un capteur plus tard, après avoir recueilli des données erronées pendant toute une saison.
En outre, veillez à étiqueter chaque capteur en indiquant le type de capteur, la profondeur d'installation et toute autre information susceptible d'être importante. Les chercheurs qui installent des centaines de capteurs achètent parfois un dispositif d'étiquetage électronique pour apposer un code-barres sur les capteurs, mais du ruban adhésif et un marqueur permanent font également l'affaire. Placez les étiquettes à l'intérieur de l'enregistreur de données pour les protéger des intempéries.
Il est essentiel de protéger les capteurs à tout prix dans le cadre d'une étude. Il est important que les chercheurs fassent passer les câbles des capteurs exposés dans des tuyaux en PVC ou des conduits électriques flexibles et qu'ils les fassent courir sur le poteau de l'enregistreur de données sur une longueur d'environ 60 cm (2 pieds). Vous éviterez ainsi les dommages causés par les rongeurs ou les pelleteuses. Attachez également les câbles au poteau avec des attaches zip résistantes ( UV), de manière à ce qu'ils soient fermement maintenus sans tirer sur l'enregistreur de données (assurez-vous qu'il y a une décharge de traction). Lors des visites sur le terrain, il est également conseillé d'inspecter les joints de l'enregistreur de données pour vérifier qu'ils ne sont pas fissurés. Si le joint de l'enregistreur de données présente des fissures, il se peut qu'il ne soit pas étanche et qu'il doive être remplacé. Contactez le service clientèle pour un remplacement gratuit.
En outre, les chercheurs doivent vérifier les données réelles aussi souvent que possible pour résoudre les problèmes. Un scientifique a découvert une erreur dans les données de son pyranomètre en les comparant à celles d'un capteur quantique situé à la même hauteur. Ce n'est qu'en examinant les valeurs réelles qu'il a découvert qu'un oiseau avait souillé son capteur de rayonnement solaire, le rendant inutilisable pour une grande partie de son étude. Il a donc dû calculer les données à partir du capteur quantique, qui n'était pas aussi précis. Une vérification régulière des données permet d'éviter des problèmes qui peuvent nuire à un projet de recherche. Le nouveau ZENTRA Cloud et ZL6 permettent aux chercheurs de dépanner et de représenter graphiquement les données aussi souvent que chaque jour. Deux ou trois minutes seulement passées à repérer des tendances ou à découvrir des erreurs peuvent permettre d'économiser des semaines de données perdues.
Le ZL6comme ses prédécesseurs, établit une moyenne des données. Par conséquent, si les chercheurs ne veulent pas de moyenne, ils devraient enregistrer des données plus fréquemment. Toutefois, la production de grandes quantités de données ne permettra pas nécessairement d'atteindre l'objectif. Ce qui est important, c'est de capturer et de comprendre la série temporelle qui se rapporte à l'hypothèse de recherche. Si un chercheur essaie de comprendre les tendances annuelles de l'humidité du sol et qu'il prend des données sur cinq minutes, il va générer des quantités de données qui ne seront pas utiles parce que l'humidité du sol ne change pas beaucoup à la minute près. Le chercheur est alors contraint de procéder à un post-traitement pour affiner les données. Cependant, si le but de l'étude est de savoir à quel moment l'eau commence à s'infiltrer dans le sol, il est essentiel de capturer des données à des intervalles d'une minute ou moins. Ces chercheurs auront besoin d'un enregistreur de données Campbell Scientific, ou d'un enregistreur capable de déclencher un événement de lecture basé sur un changement instantané. Cependant, la plupart des gens surestiment la quantité de données dont ils ont besoin. Pour mesurer le rayonnement solaire, un relevé toutes les 15 minutes est probablement suffisant. Pour l'évapotranspiration, il est courant d'enregistrer des données toutes les demi-heures. Dans ces cas et dans bien d'autres, des intervalles d'enregistrement courts, comme toutes les cinq minutes, sont probablement beaucoup trop fréquents.
Une autre étape importante que les chercheurs oublient souvent est de faire correspondre toutes les fréquences de mesure des enregistreurs de données. Si un chercheur dispose de deux enregistreurs de données lisant toutes les 15 minutes et que quelqu'un d'autre installe un enregistreur lisant toutes les heures, seules les données horaires peuvent être utilisées.
Si un scientifique découvre une erreur dans les données, ce n'est pas nécessairement parce que le capteur est défectueux. Souvent, les relevés intéressants des capteurs racontent une histoire sur ce qui se passe dans le sol ou dans l'environnement. L'interprétation des données peut parfois être difficile et les chercheurs peuvent avoir besoin de retourner sur le site pour comprendre ce qui se passe réellement. Par exemple : dans la figure 22, il semble qu'un capteur d'humidité du sol soit cassé, mais lorsque le scientifique a examiné la situation de plus près, il a découvert que l'évapotranspiration était supérieure à l'infiltration.
En outre, les chercheurs peuvent être amenés à sortir des sentiers battus pour interpréter leurs données. Ils peuvent essayer d'examiner les données de différentes manières. La figure 23 illustre la manière traditionnelle de représenter les données sous forme de graphiques temporels. Dans la figure 24, les mêmes données peuvent être visualisées d'une manière complètement différente.
Les chercheurs peuvent également convertir leurs données de teneur en eau en potentiel hydrique à l'aide d'une courbe de libération de l'humidité (voir figure 25).
Une fois les données sur le potentiel hydrique obtenues, les données se présentent comme suit :
Le fait de représenter les mêmes données de trois manières différentes peut mettre en lumière des questions ou des problèmes qu'un chercheur n'aurait pas remarqués avec un graphique temporel traditionnel.
Consacrer un peu de temps supplémentaire pour faire les choses correctement au cours d'une expérience est très rentable en termes d'économie de temps, d'efforts et d'argent. La préparation, la planification, un objectif de recherche clairement défini, le choix d'un site approprié, l'installation, l'entretien, la synchronisation et l'interprétation correcte des données sont autant d'éléments qui permettent d'éviter les problèmes de données typiques qui peuvent compromettre un projet de recherche. Le résultat final ? Des données qui peuvent être publiées ou utilisées pour prendre des décisions.
Dans la vidéo ci-dessous, le Dr Colin Campbell explique comment ZENTRA Cloud simplifie le processus de collecte de données et pourquoi les chercheurs ne peuvent pas s'en passer. Il présente ensuite en direct les fonctionnalités de ZENTRA Cloud .
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Plongez dans l'apprentissage de l'humidité du sol. Dans le webinaire ci-dessous, le Dr Colin Campbell explique comment interpréter des données surprenantes et problématiques sur l'humidité du sol. Il explique également ce à quoi il faut s'attendre en fonction du sol, du site et de l'environnement.
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