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POURQUOI MESURER LE POTENTIEL HYDRIQUE ?

Un écologiste a installé un vaste réseau de capteurs d'humidité du sol pour étudier l'effet de l'orientation de la pente sur l'eau disponible pour les plantes. Il a recueilli des quantités considérables de données sur l'humidité du sol, mais en fin de compte, il s'est senti frustré parce qu'il ne pouvait pas dire quelle quantité d'eau était disponible pour les plantes.

Il n'est pas le seul à être frustré. Les capteurs d'humidité du sol, précis et peu coûteux, ont fait de l'humidité du sol une mesure populaire à juste titre, mais comme de nombreuses personnes l'ont découvert, un bon marteau ne fait pas de chaque problème d'eau du sol un clou. La teneur en eau ne peut qu'indiquer la quantité d'eau présente. La conductivité hydraulique indique la vitesse à laquelle l'eau peut se déplacer. Le potentiel hydrique, quant à lui, indique si l'eau est disponible pour les plantes, si elle se déplace et où elle va aller.

Les variables intensives ne changent pas en fonction de la taille ou de la situation

Pour comprendre le potentiel hydrique et pourquoi vous en avez besoin, 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.

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 façon dont votre corps perçoit la chaleur dans cette pièce.

La figure 1 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 canne à pêche, mais que c'est la canne à pêche qui a une température plus élevée. Si nous mettons la barre chauffante en contact avec le navire, quelle est la variable qui détermine le flux d'énergie ? La variable intensive, la température, régit le mouvement de l'énergie. La chaleur se déplace toujours d'une température élevée à une température basse.

En savoir plus sur les variables intensives et extensives.

La teneur en eau ne permet pas de prédire comment l'eau se déplace

Tout comme la teneur en chaleur, la teneur en eau est une quantité. C'est une variable étendue. Elle change en fonction de la taille et de la situation. Considérez les paradoxes suivants :

• Un sol dont la teneur en eau volumétrique est relativement faible peut contenir beaucoup d'eau disponible pour les plantes, tandis qu'un sol à forte teneur en eau peut n'en contenir pratiquement aucune
• La gravité tire l'eau vers le bas à travers le profil, mais l'eau remonte dans le sol à partir d'une nappe phréatique.
• Deux parcelles adjacentes de sol à l'équilibre peuvent avoir des teneurs en eau très différentes.

Dans ces cas et dans bien d'autres, les données relatives à la teneur en eau sont déroutantes car elles ne permettent pas de prédire comment l'eau se déplace. Le potentiel hydrique mesure l'état énergétique de l'eau et explique ainsi les réalités du mouvement de l'eau qui, autrement, défient l'intuition. Tout comme la température définit le niveau de confort d'un être humain, le potentiel hydrique définit le niveau de confort d'une plante. Si le potentiel hydrique est connu, il est possible de prédire si les plantes pousseront bien ou si elles seront stressées dans n'importe quel environnement.

Comment le potentiel hydrique définit le niveau de confort d'une plante

La teneur en eau n'est pas un indicateur du "confort" des plantes, car la terre, l'argile, le sable, le terreau et d'autres milieux retiennent tous l'eau différemment. Imaginez un sable contenant 30 % d'eau. En raison de sa faible surface, le sable sera trop humide pour une croissance optimale des plantes, menaçant les racines d'un manque d'aération et flirtant avec la saturation. Considérez maintenant une argile à texture fine avec la même teneur en eau de 30 %. L'argile peut sembler seulement humide et être bien en dessous du "confort" optimal pour une plante en raison de la surface de l'argile qui lie l'eau et la rend moins disponible pour la plante.

Les mesures du potentiel hydrique indiquent clairement l'eau disponible pour la plante et, contrairement à la teneur en eau, il existe une échelle de référence facile à utiliser - l'optimum de la plantes'étend d'environ -2 à 5 kPa, c'est-à-dire du côté très humide, à environ -100 kPa, à l'extrémité la plus sèche de l'optimum. En dessous de cette valeur, les plantes sont en déficit, et au-delà de -1000 kPa, elles commencent à souffrir. Selon la plante, les potentiels hydriques inférieurs à -1000 à -2000 kPa provoquent un flétrissement permanent. Le tableau 1 illustre l'échelle de référence simple pour certains types de cultures. Les plantes ne subiront pas de stress et auront un meilleur rendement si elles sont maintenues dans cette plage de confort du potentiel hydrique.

La plupart des applications requièrent à la fois le potentiel hydrique et la teneur en eau

Bien que le potentiel hydrique soit un meilleur indicateur de l'eau disponible pour la plante que la teneur en eau, dans la plupart des cas, il est utile d'utiliser à la fois des capteurs de potentiel hydrique et des capteurs d'humidité du sol.

La mesure de l'intensité du potentiel hydrique ne se traduit pas directement par la quantité d'eau stockée ou nécessaire. Les informations sur la teneur en eau sont également nécessaires pour des applications telles que la gestion de l'irrigation et les études sur le bilan hydrique. Pour plus d'informations, lisez : "Quand arroser - Les mesures doubles résolvent le mystère".

Regarder Potentiel de l'eau 101

Dans ce webinaire, le Dr Doug Cobos différencie le potentiel hydrique de la teneur en eau, discute de la théorie, de l'application et des composants clés du potentiel hydrique, ainsi que des implications du potentiel hydrique pour les chercheurs et la gestion de l'irrigation.

UNE DÉFINITION DU POTENTIEL HYDRIQUE

Le potentiel hydrique est l'énergie nécessaire, par quantité d'eau, pour transporter une quantité infinitésimale d'eau de l'échantillon vers un bassin de référence d'eau pure et libre. Pour comprendre ce que cela signifie, 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 à des surfaces diluées par des solutés et soumises à une pression ou à une tension. En fait, l'eau du sol a un état énergétique différent de celui de l'eau "libre". On peut accéder à l'eau libre sans exercer d'énergie. L'eau du sol ne peut être extraite qu'en dépensant de l'énergie. Le potentiel de l'eau du sol exprime la quantité d'énergie qu'il faudrait dépenser pour extraire l'eau de l'échantillon de sol.

Le potentiel hydrique du sol est une propriété différentielle. Pour que la mesure ait un sens, une référence doit être spécifiée. La référence généralement spécifiée est l'eau pure et libre à la surface du sol. Le potentiel hydrique de cette référence est nul. Le potentiel hydrique dans l'environnement est presque toujours inférieur à zéro, car il faut ajouter de l'énergie pour évacuer l'eau.

Le potentiel de l'eau répond à deux questions clés

1. Mouvement de l'eau

L'eau s'écoulera toujours d'un potentiel élevé vers un potentiel faible. Il s'agit de la deuxième loi de la thermodynamique : l'énergie s'écoule le long du gradient de la variable intensive. L'eau se déplacera 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 3. 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.

2. Disponibilité de l'eau pour les plantes

L'eau liquide se déplace du sol vers et à travers les racines, à travers le xylème des plantes, jusqu'aux feuilles, et finit par s'évaporer dans les cavités sous-matricielles de la feuille. La force motrice de ce flux est un gradient de potentiel hydrique. Ainsi, pour que l'eau s'écoule, le potentiel hydrique des feuilles doit être inférieur à celui du sol. Dans la figure 4, le sol est à -0,3 MPa et les racines sont légèrement plus négatives à -0,5 MPa. Cela signifie que les racines tirent l'eau du sol vers le haut. L'eau monte ensuite dans le xylème et sort par les feuilles. L'atmosphère, à -100 MPa, est le moteur de ce gradient.

Les irrigants et les scientifiques utilisent des sondes de potentiel hydrique en conjonction avec des sondes de teneur en eau pour comprendre la disponibilité de l'eau pour les plantes. Dans la figure 5, vous pouvez observer où la teneur en eau diminue et à partir de quel pourcentage les plantes commencent à stresser. Il est également possible de reconnaître quand le sol a trop d'eau : la teneur en eau est supérieure au seuil à partir duquel les capteurs de potentiel hydrique commencent à détecter le stress des plantes. À l'aide de ces informations, les chercheurs peuvent déterminer que la teneur en eau volumétrique optimale d'une plante se situe entre 12 et 17 %. Toute valeur inférieure ou supérieure à cette fourchette correspond à un manque ou à un excès d'eau.

Pour en savoir plus sur la façon dont le potentiel hydrique du sol indique la disponibilité en eau des plantes, lisez "Quand arroser : Les doubles mesures résolvent le mystère".

Noms, plages et unités des potentiels hydriques

La figure 6 montre qu'il existe différents instruments de mesure du potentiel hydrique qui mesurent des plages différentes. Regardez la vidéo pour voir comment vous pouvez combiner les instruments METER LABROS pour mesurer la gamme complète du potentiel hydrique du sol. Pour en savoir plus sur la façon de mesurer le potentiel hydrique et sur les instruments utilisés, cliquez ici.

Le potentiel hydrique est souvent appelé tension de l'eau, succion du sol et pression de l'eau interstitielle du sol. Nous utilisons généralement des unités de pression pour décrire le potentiel hydrique du sol, notamment les mégapascals (MPa), les kilopascals (kPa), les bars et les mètres (_mH2O), les centimètres (_cmH2O) ou les millimètres d'eau (_mmH2O).

Le potentiel de l'eau est en fait mesuré en énergie par unité de masse, de sorte que les unités officielles devraient être les joules par kilogramme, mais si vous tenez compte de la densité de l'eau, les unités deviennent les kilopascals, de sorte que nous la décrivons généralement en utilisant les unités de pression.

Composants du potentiel hydrique

Le potentiel hydrique total est la somme de quatre composantes différentes.

• Potentiel matriciel : La liaison de l'eau aux surfaces
• Potentiel osmotique : Liaison avec les solutés dans l'eau
• Potentiel gravitationnel : La position de l'eau dans un champ gravitationnel
• Pression potentielle : pression hydrostatique ou pneumatique sur l'eau

Comment calculer le potentiel hydrique

Le potentiel hydrique du sol est la somme de quatre composantes différentes : le potentiel gravitationnel + le potentiel matriciel + le potentiel de pression + le potentiel osmotique (équation 1).

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 7, 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.

Potentiel matriciel

Le potentiel matriciel est dû au fait que l'eau est attirée par la plupart des surfaces grâce à la liaison hydrogène et aux forces de van der Waals. Le sol est constitué de petites particules, offrant de nombreuses surfaces qui lient l'eau. Cette liaison dépend fortement du type de sol. Par exemple, un sol sablonneux est constitué de grosses particules qui offrent moins de sites de fixation de surface, tandis qu'un limon a des particules plus petites et plus de sites de fixation de surface.

Regardez la vidéo ci-dessous pour visualiser le potentiel matriciel en action.

La figure suivante, qui montre les courbes de libération de l'humidité pour trois types de sol différents, illustre l'effet de la surface. Le sable, qui contient 10 % d'eau, a un potentiel matriciel élevé et l'eau est facilement disponible pour les organismes et les plantes. Le limon, qui contient 10 % d'eau, a un potentiel matriciel beaucoup plus faible et l'eau est beaucoup moins disponible.

Le potentiel matriciel est toujours négatif ou nul et constitue la composante la plus importante du potentiel hydrique du sol en conditions non saturées.

Pour en savoir plus sur les courbes de restitution de l'humidité et la relation entre le potentiel hydrique du sol et la teneur en eau du sol , cliquez ici.

Les tensiomètres et le TEROS 21 sont tous deux des capteurs de potentiel hydrique du sol qui mesurent le potentiel matriciel sur le terrain. Pour savoir quel capteur de potentiel hydrique du sol est adapté à votre application, lisez "Quel capteur de sol est parfait pour vous ?"

Potentiel osmotique

Le potentiel osmotique décrit la dilution et la fixation de l'eau par des solutés dissous dans l'eau. Ce potentiel est également toujours négatif.

Le potentiel osmotique n'affecte le système que s'il existe une barrière semi-perméable qui bloque le passage des solutés. Cette situation est en fait assez courante dans la nature. Par exemple, les racines des plantes laissent passer l'eau mais bloquent la plupart des solutés. Les membranes cellulaires constituent également une barrière semi-perméable. Un exemple moins évident est l'interface air-eau, où l'eau peut passer dans l'air en phase vapeur, mais où les sels restent sur place.

Vous pouvez calculer le potentiel osmotique à partir de l'équation suivante si vous connaissez la concentration du soluté dans l'eau

Où C est la concentration du soluté (mol/kg), ɸ est le coefficient osmotique (-0,9 à 1 pour la plupart des solutés), v est le nombre d'ions par mol (NaCl= 2, _CaCl2 = 3, saccharose = 1), R est la constante des gaz, et T est la température Kelvin.

Le potentiel osmotique est toujours négatif ou nul et il est important pour les plantes et certains sols affectés par le sel.

Potentiel gravitationnel

Le potentiel gravitationnel résulte de l'emplacement de l'eau dans un champ gravitationnel. Il peut être positif ou négatif, selon l'endroit où vous vous trouvez par rapport à la référence spécifiée de l'eau pure et libre à la surface du sol. Le potentiel gravitationnel est donc

Où G est la constante gravitationnelle (9,8 m ^s-2) et H la distance verticale entre la hauteur de référence et la surface du sol (la hauteur spécifiée).

Potentiel de pression

Le potentiel de pression est une pression hydrostatique ou pneumatique appliquée ou tirée sur l'eau. Il s'agit d'un effet plus macroscopique agissant dans une région plus vaste du système.

Il existe plusieurs exemples de potentiel de pression positive dans l'environnement naturel. Par exemple, une pression positive est présente sous la surface de toute eau souterraine. Vous pouvez sentir cette pression lorsque vous nagez dans un lac ou une piscine. De même, une tête de pression ou un potentiel de pression positive se développe lorsque vous vous déplacez sous la nappe phréatique. La pression de turgescence chez les plantes et la pression sanguine chez les animaux sont deux autres exemples de potentiel de pression positive.

Le potentiel de pression peut être calculé comme suit

Où P est la pression (_Pa) et_PW la densité de l'eau.

Bien que le potentiel de pression soit généralement positif, il existe des cas importants où il ne l'est pas. C'est le cas des plantes, où un potentiel de pression négatif dans le xylème attire l'eau du sol vers les racines et les feuilles.

Potentiel hydrique et humidité relative

Le potentiel hydrique et l'humidité relative sont liés par l'équation de Kelvin. Si vous connaissez la température et l'humidité, vous pouvez calculer le potentiel hydrique à l'aide de l'équation suivante

Où Ψ est le potentiel hydrique (MPa), _HR est l'humidité relative (sans unité), R est la constante universelle des gaz (8,3143 J ^mol-1 K ^-1), _MW est la masse de l'eau (18,02 g/mol), et T est la température Kelvin.

Qu'est-ce que le potentiel hydrique ? Points à retenir

Potentiel hydrique :

• Décrit l'état énergétique de l'eau dans l'environnement
• Définit la disponibilité de l'eau pour les organismes

Points clés :

• L'eau s'écoule toujours du haut potentiel vers le bas potentiel.
• C'est la deuxième loi de la thermodynamique : l'énergie s'écoule le long du gradient de la variable intensive.

Vous trouverez ici d'autres réponses à la question "Qu'est-ce que le potentiel de l'eau" : Retour à la page principale sur le potentiel de l'eau ou Parlez à un expert de l'utilisation du potentiel de l'eau dans votre application.

Références relatives au potentiel hydrique du sol pour une étude plus approfondie

Kirkham, Mary Beth. Principes des relations hydriques du sol et des plantes. Academic Press, 2014. Lien vers le livre

Taylor, Sterling A., et Gaylen L. Ashcroft. Physical edaphology. La physique des sols irrigués et non irrigués. 1972. Lien vers le livre

Hillel, Daniel. Principes fondamentaux de la physique des sols. Academic press, 2013. Lien vers le livre

Dane, Jacob H., G. C. Topp et Gaylon S. Campbell. Méthodes d'analyse des sols - Méthodes physiques. No. 631.41 S63/4. 2002.

Regarder le potentiel de l'eau 201

Le webinaire du Dr. Colin Campbell "Water Potential 201 : Choisir le bon instrument" couvre la théorie des instruments de mesure du potentiel de l'eau, y compris les défis de la mesure du potentiel de l'eau et la façon de choisir et d'utiliser les différents instruments de mesure du potentiel de l'eau.

QUELLE MÉTHODE DE MESURE DU POTENTIEL HYDRIQUE VOUS CONVIENT LE MIEUX ?

Pour l'essentiel, il n'existe que deux méthodes principales de mesure du potentiel hydrique : les tensiomètreset les méthodes de mesure de la pression de vapeur. Les tensiomètres travaillent dans la plage humide - lestensiomètres spéciaux qui retardent le point d'ébullition de l'eau ont une plage allant de 0 à environ -0,2 MPa. Les méthodes de mesure de la pression de vapeur fonctionnent dans la plage sèche - d'environ -0,1 MPa à -300 MPa (0,1 MPa correspond à une humidité relative de 99,93 % ; -300 MPa correspond à une humidité relative de 11 %).

Historiquement, ces plages ne se chevauchaient pas, mais les progrès récents de la technologie des tensiomètres et des capteurs de température ont changé la donne. Aujourd'hui, un utilisateur compétent disposant d'excellentes méthodes et du meilleur équipement peut mesurer toute la gamme des potentiels hydriques en laboratoire.

Il y a cependant des raisons d'envisager des méthodes de mesure secondaires. Les méthodes de mesure de la pression de vapeur ne sont pas utiles in situ et la précision du tensiomètre doit faire l'objet d'un entretien constant et minutieux (bien qu'il existe une version autoremplissage du tensiomètre).

En outre, il existe des méthodes traditionnelles telles que les blocs de gypse, les plaques de pression et le papier filtre qu'il convient de connaître. Cette section présente brièvement les points forts et les limites de chaque méthode.

Plaques de pression

La plaque de pression a été introduite dans les années 1930 par L.A. Richards. Elle ne mesure pas réellement le potentiel hydrique d'un échantillon. Elle amène l'échantillon à un potentiel hydrique spécifique en appliquant une pression sur l'échantillon et en permettant à l'eau excédentaire de s'écouler à travers une plaque de céramique poreuse. Lorsque l'échantillon atteint l'équilibre, son potentiel hydrique est équivalent à la pression appliquée.

Les plaques de pression sont généralement utilisées pour établir les courbes caractéristiques de l'humidité du sol. Une fois que les échantillons de sol ont atteint un potentiel hydrique spécifique sous pression, le chercheur peut retirer l'échantillon de la plaque et le sécher pour mesurer sa teneur en eau. Une courbe caractéristique de l'humidité du sol peut être produite en effectuant ces mesures à différentes pressions dans l'appareil à plaque de pression.

La précision des plaques de pression est importante, car elles sont souvent utilisées pour étalonner d'autres méthodes de mesure secondaires.

Les plaques de pression ont des problèmes d'équilibre

Afin d'établir une courbe de libération d'humidité précise à l'aide d'une plaque de pression, vous devez vous assurer que l'échantillon est complètement arrivé à l'équilibre à la pression désignée. Plusieurs évaluateurs, dont Gee et al (2002), Cresswell et al (2008), et Bittelli et Flury (2009), ont relevé des problèmes liés à cette hypothèse.

Les erreurs, en particulier aux faibles potentiels hydriques, peuvent être dues à des pores obstrués dans la céramique de la plaque de pression, à une restriction de l'écoulement dans l'échantillon, à une perte de contact hydraulique entre la plaque et le sol en raison du retrait du sol, et à une réabsorption de l'eau lorsque la pression sur la plaque est relâchée. Lorsque le potentiel hydrique est faible, la conductivité hydraulique peut prendre des semaines, voire des mois, avant d'atteindre l'équilibre. Gee et. al (2002) ont mesuré les potentiels hydriques d'échantillons équilibrés pendant 9 jours sur des plaques de pression de 15 bars et ont constaté qu'ils se situaient à -0,5 MPa au lieu des -1,5 MPa attendus. En particulier lors de la construction d'une courbe de libération d'humidité pour estimer la conductivité hydraulique et déterminer l'eau disponible pour les plantes, les mesures sur plaque de pression à des potentiels inférieurs à -0,1 MPa (-1 bar) peuvent entraîner une erreur significative (Bittelli et Flury, 2009).

En outre, Baker et Frydman (2009) établissent théoriquement que la matrice du sol se drainerait différemment sous une pression positive que sous la succion. Ils postulent que les teneurs en eau d'équilibre obtenues par aspiration seront significativement différentes de celles qui se produisent dans des conditions naturelles. Des preuves anecdotiques semblent soutenir cette idée, bien que des tests supplémentaires soient nécessaires. En fin de compte, les plaques de pression peuvent avoir une précision suffisante dans la plage humide (0 à -0,5 MPa) pour certaines applications, mais d'autres méthodes peuvent fournir une meilleure précision, ce qui peut être particulièrement important lorsque les données sont utilisées pour la modélisation ou l'étalonnage.

Méthodes de pression de vapeur

L'hygromètre à point de roséeWP4C est l'un des rares instruments disponibles dans le commerce qui utilise actuellement cette technique. Comme les psychromètres à thermocouple traditionnels, l'hygromètre à point de rosée équilibre un échantillon dans une chambre hermétique.

Un petit miroir placé dans la chambre est refroidi jusqu'à ce que de la rosée commence à s'y former. Au point de rosée, le site WP4C mesure les températures du miroir et de l'échantillon avec une précision de 0,001◦C pour déterminer l'humidité relative de la vapeur au-dessus de l'échantillon.

Avantages

La version la plus récente de cet hygromètre à point de rosée a une précision de ±1% de -5 à -300 MPa et est relativement facile à utiliser. De nombreux types d'échantillons peuvent être analysés en cinq à dix minutes, bien que les échantillons humides prennent plus de temps.

Limites

À des potentiels d'eau élevés, les différences de température entre la pression de vapeur saturée et la pression de vapeur à l'intérieur de la chambre d'échantillon deviennent négligeables.

En raison des limites de la résolution de la mesure de la température, les méthodes de mesure de la pression de vapeur ne remplaceront probablement jamais les tensiomètres.

L'hygromètre à point de rosée a une plage de -0,1 à -300 MPa, bien qu'il soit possible de faire des relevés au-delà de -0,1 MPa à l'aide de techniques spéciales. Les tensiomètres restent la meilleure option pour les mesures comprises entre 0 et -0,1 MPa.

Les tensiomètres et la technique Wind/Schindler

Le HYPROP est un instrument de laboratoire unique qui utilise la méthode d'évaporation Wind/Schindler pour établir des courbes de libération d'humidité sur des sols dont le potentiel hydrique est de l'ordre du tensiomètre.

Hyprop utilise deux mini-tensiomètres de précision pour mesurer le potentiel hydrique à différents niveaux dans un échantillon de sol saturé de 250 ^cm3, alors que l'échantillon repose sur une balance de laboratoire. Au fil du temps, l'échantillon sèche et l'instrument mesure simultanément le changement de potentiel hydrique et le changement de poids de l'échantillon. Il calcule la teneur en eau à partir des mesures de poids et trace les changements de potentiel hydrique en corrélation avec les changements de teneur en eau.

Les résultats sont vérifiés et les valeurs de la zone sèche et de la saturation sont calculées selon un modèle choisi (c'est-à-dire van Genuchten/Mualem, bimodal van Genuchten/Mualem, ou Brooks et Corey).

Avantages

Hyprop a une grande précision et produit une courbe complète de libération de l'humidité dans la plage humide. La courbe prend trois à cinq jours, mais l'instrument fonctionne sans surveillance.

Limites

HypropLa gamme de l'appareil est limitée par la gamme des tensiomètres, bien que les mini-tensiomètres aient été utilisés pour mesurer au-delà de -250 kPa (-0,25 MPa) en raison de leur fonction de retardement de l'ébullition.

En dessous de -250 kPa, les tensiomètres cavitent. Les utilisateurs expérimentés ont la possibilité d'ajouter un point final à la courbe au point d'entrée de l'air dans la coupelle du tensiomètre en céramique (-880 kPa ; -0,88 MPa).

Tensiomètres

Le potentiel de l'eau, par définition, est une mesure de la différence d'énergie potentielle entre l'eau d'un échantillon et l'eau d'un bassin de référence d'eau pure et libre. Le tensiomètre est la concrétisation de cette définition.

Le tube du tensiomètre contient un réservoir d'eau libre (théoriquement) pure. Ce réservoir est relié (par une membrane perméable) à un échantillon de sol. Grâce à la deuxième loi de la thermodynamique, l'eau se déplace du réservoir vers le sol jusqu'à ce que son énergie soit égale des deux côtés de la membrane. Cela crée un vide dans le tube. Le tensiomètre utilise un manomètre à pression négative (un vacuomètre) pour mesurer la force de ce vide et décrire le potentiel de l'eau en termes de pression.

Avantages

Les tensiomètres sont probablement le plus ancien type d'instrument de mesure du potentiel hydrique (le concept initial remonte au moins à Livingston en 1908), mais ils peuvent encore être très utiles. En fait, dans la zone humide, un tensiomètre de haute qualité, utilisé avec habileté, peut être d'une excellente précision.

Limites

La portée du tensiomètre est limitée par la capacité de l'eau à l'intérieur du tube à résister au vide. Bien que l'eau soit essentiellement incompressible, les discontinuités à la surface de l'eau, telles que les arêtes ou les gravillons, constituent des points de nucléation où les liaisons solides de l'eau sont rompues et où la cavitation (ébullition à basse pression) se produit. La plupart des tensiomètres cavitent autour de -80 kPa, en plein milieu de la plage disponible pour les plantes.

Cependant, METER Group Ag, en Allemagne, fabrique des tensiomètres qui sont des classiques modernes grâce à la précision de l'ingénierie allemande, à une construction méticuleuse et à une attention fanatique aux détails. Ces tensiomètres ont une précision remarquable et une plage qui (avec un opérateur attentif) peut s'étendre jusqu'à -250 kPa.

Méthodes secondaires : exploiter les caractéristiques de l'humidité

La teneur en eau est généralement plus facile à mesurer que le potentiel hydrique, et comme les deux valeurs sont liées, il est possible d'utiliser une mesure de la teneur en eau pour déterminer le potentiel hydrique.

Un graphique montrant comment le potentiel hydrique change lorsque l'eau est adsorbée et désorbée d'une matrice de sol spécifique est appelé courbe caractéristique de l'humidité ou courbe de libération de l'humidité.

Chaque matrice qui peut contenir de l'eau a une caractéristique d'humidité unique, aussi unique et distincte qu'une empreinte digitale. Dans les sols, même de petites différences de composition et de texture ont un effet significatif sur la caractéristique d'humidité.

Certains chercheurs développent une caractéristique d'humidité pour un type de sol spécifique et utilisent cette caractéristique pour déterminer le potentiel hydrique à partir des relevés de teneur en eau. Les capteurs de potentiel matriciel adoptent une approche plus simple en tirant parti de la deuxième loi de la thermodynamique.

Capteurs de potentiel matriciel

Les capteurs de potentiel matriciel utilisent un matériau poreux dont les caractéristiques d'humidité sont connues. Comme tous les systèmes énergétiques tendent vers l'équilibre, le matériau poreux atteindra l'équilibre du potentiel hydrique avec le sol qui l'entoure.

En utilisant la caractéristique d'humidité du matériau poreux, vous pouvez ensuite mesurer la teneur en eau du matériau poreux et déterminer le potentiel hydrique du matériau poreux et du sol environnant. Les capteurs de potentiel matriciel utilisent une variété de matériaux poreux et plusieurs méthodes différentes pour déterminer la teneur en eau.

La précision dépend de l'étalonnage personnalisé

Dans le meilleur des cas, les capteurs de potentiel matriciel ont une bonne, mais pas une excellente, précision. Dans le pire des cas, la méthode ne peut que vous indiquer si le sol devient plus humide ou plus sec. La précision d'un capteur dépend de la qualité de la caractéristique d'humidité développée pour le matériau poreux et de l'uniformité du matériau utilisé. Pour une bonne précision, le matériau spécifique utilisé doit être étalonné à l'aide d'une méthode de mesure primaire. La sensibilité de cette méthode dépend de la rapidité avec laquelle la teneur en eau varie en fonction du potentiel hydrique. La précision est déterminée par la qualité de la mesure de la teneur en eau.

La précision peut également être affectée par la sensibilité à la température. Cette méthode repose sur des conditions isothermes, qui peuvent être difficiles à atteindre. Les différences de température entre le capteur et le sol peuvent entraîner des erreurs significatives.

Portée limitée

Tous les capteurs de potentiel matriciel sont limités par la conductivité hydraulique : lorsque le sol devient plus sec, le matériau poreux met plus de temps à s'équilibrer. La variation de la teneur en eau devient également faible et difficile à mesurer. À l'extrémité humide, la portée du capteur est limitée par le potentiel de pénétration dans l'air du matériau poreux utilisé.

Papier filtre

La méthode du papier filtre a été développée dans les années 1930 par des pédologues comme alternative aux méthodes disponibles à l'époque. Un type spécifique de papier filtre (Whitman No. 42 Ashless) est utilisé comme support poreux. Les échantillons sont équilibrés avec le papier filtre. Les échantillons sont équilibrés avec le papier filtre dans une chambre scellée à température constante. La teneur en eau gravimétrique du papier filtre est déterminée à l'aide d'une étuve, et le potentiel hydrique est déduit de la courbe caractéristique d'humidité prédéterminée du papier filtre. Deka et al. (1995) ont constaté qu'il fallait au moins 6 jours pour obtenir un équilibre complet.

Gamme

Il est communément admis que la plage du papier filtre s'étend jusqu'à -100 MPa si on le laisse s'équilibrer complètement. Cependant, comme le montre l'illustration, les erreurs dues aux gradients de température deviennent exceptionnellement importantes lorsque le potentiel de l'eau est proche de zéro.

Cette méthode est peu coûteuse et simple, mais elle n'est pas précise. Elle nécessite des conditions isothermes, ce qui peut être difficile à réaliser. De petites variations de température peuvent entraîner des erreurs importantes.

Capteurs de potentiel matriciel disponibles dans le commerce

Les carreaux de plâtre : simples et bon marché

Les blocs de gypse sont souvent utilisés comme indicateurs simples des épisodes d'irrigation. Les blocs de gypse mesurent la résistance électrique d'un bloc de gypse qui réagit aux changements du sol environnant. La résistance électrique est proportionnelle au potentiel hydrique.

Avantages

Les carreaux de plâtre sont incroyablement bon marché et relativement faciles à utiliser.

Inconvénients

Les relevés dépendent de la température et leur précision est très faible. En outre, le gypse se dissout avec le temps, en particulier dans les sols salins, et perd ses propriétés d'étalonnage. Les blocs de gypse vous indiquent s'il s'agit d'un sol humide ou sec, mais pas grand-chose de plus.

Capteurs matriciels granulaires : faciles et bon marché, mais précision limitée

Comme les blocs de gypse, les capteurs matriciels granulaires mesurent la résistance électrique dans un milieu poreux. Au lieu du gypse, ils utilisent du quartz granulaire entouré d'une membrane synthétique et d'un filet de protection en acier inoxydable.

Avantages

Par rapport aux blocs de gypse, les capteurs matriciels granulaires durent plus longtemps et fonctionnent dans des conditions de sol plus humides. Les performances peuvent être améliorées en mesurant et en compensant les variations de température.

Inconvénients

Les mesures dépendent de la température et sont peu précises. De plus, même avec un bon contact entre le sol et le capteur, les capteurs matriciels granulaires ont des problèmes de réhumidification après avoir été équilibrés à des conditions très sèches, car l'eau a une capacité réduite à pénétrer dans le milieu grossier de la matrice granulaire à partir d'un sol fin. La portée est limitée à l'extrémité humide par le potentiel d'entrée d'air de la matrice. Les capteurs matriciels granulaires ne peuvent commencer à mesurer le contenu/potentiel en eau que lorsque les plus grands pores de la matrice commencent à se drainer. En outre, ces capteurs utilisent une pastille de gypse qui se dissout avec le temps, ce qui leur confère une mauvaise stabilité à long terme.

Capteurs à base de céramique

Les capteurs à base de céramique utilisent un disque de céramique comme milieu poreux. La qualité du capteur dépend des qualités spécifiques de la céramique.

La précision est limitée par le fait que chaque disque a une caractéristique d'humidité quelque peu unique. L'uniformité du matériau céramique permet d'obtenir une plus grande précision, mais limite considérablement la plage de mesure. L'étalonnage personnalisé de chaque capteur individuel améliore considérablement la précision, mais prend du temps. Les innovations récentes en matière de technique d'étalonnage peuvent offrir de meilleures options d'étalonnage commercial.

La portée est limitée du côté humide par le potentiel d'entrée d'air de la céramique. Les capteurs à base de céramique ne peuvent commencer à mesurer le contenu/potentiel de l'eau que lorsque les plus grands pores de la céramique commencent à se vider. Du côté sec, la portée est limitée par la porosité totale contenue dans les petits pores qui s'écoulent à des potentiels d'eau faibles.

Deux types :

Capteur de dissipation thermique

Le capteur de dissipation thermique mesure la teneur en humidité de la céramique en mesurant sa conductivité thermique. À l'aide d'un cylindre en céramique contenant un élément chauffant et un thermocouple, il mesure la température de base, chauffe pendant quelques secondes, puis mesure le changement de température. En traçant le changement de température en fonction du temps logarithmique, il détermine la teneur en eau de la céramique. La teneur en eau est traduite en potentiel hydrique à l'aide de la caractéristique d'humidité du disque de céramique. Notez que le capteur étant chauffé, il doit être alimenté par un système disposant de grandes réserves d'énergie (par exemple, un enregistreur de données Campbell Scientific ou équivalent).

Précision

À moins qu'il ne soit calibré individuellement, le capteur de dissipation thermique n'a qu'une précision modérée.

Gamme

À l'extrémité très sèche, la courbe de conductivité thermique est très sensible, ce qui confère aux capteurs de dissipation thermique une grande utilité dans la plage sèche (-1 à -50 mPa). À l'extrémité humide, le capteur de dissipation thermique est limité par le potentiel d'entrée d'air de la céramique.

Capteur de potentiel matriciel diélectrique

Les capteurs de potentiel diélectrique matriciel mesurent la capacité de stockage de charges d'un disque en céramique pour déterminer sa teneur en eau. Ils utilisent ensuite la caractéristique d'humidité du disque pour convertir la teneur en eau en potentiel hydrique.

Parce qu'ils utilisent une technique diélectrique, les capteurs sont très sensibles aux petites variations de l'eau. Comme tous les capteurs à base de céramique, les capteurs de potentiel matriciel nécessitent un étalonnage personnalisé pour une bonne précision.

Avantages

Les capteurs de potentiel diélectrique sont peu gourmands en énergie et ne nécessitent pas d'entretien.

Inconvénients

Sans étalonnage, les capteurs ont une précision de ±40% de la lecture. Toutefois, une version récente du capteur, étalonnée sur mesure, promet une précision de ±10 % de la lecture.

Plus de ressources pour savoir comment mesurer le potentiel de l'eau

1. Gee, Glendon W., Anderson L. Ward, Z. F. Zhang, Gaylon S. Campbell, et J. Mathison. "The influence of hydraulic nonequilibrium on pressure plate data". Vadose Zone Journal 1, no. 1 (2002) : 172-178.
2. Cresswell, H. P., T. W. Green et N. J. McKenzie. "The adequacy of pressure plate apparatus for determining soil water retention". Soil Science Society of America Journal 72, no. 1 (2008) : 41-49.
3. Bittelli, Marco, et Markus Flury. "Errors in water retention curves determined with pressure plates". Soil Science Society of America Journal 73, no. 5 (2009) : 1453-1460.
4. Baker, Rafael, et Sam Frydman. "Mécanique des sols non saturés : Critical review of physical foundations". Engineering Geology 106, no. 1 (2009) : 26-39. Lien vers l'article.
5. Deka, R. N., M. Wairiu, P. W. Mtakwa, C. E. Mullins, E. M. Veenendaal et J. Townend. "Use and accuracy of the filter-paper technique for measurement of soil matric potential". European Journal of Soil Science 46, no. 2 (1995) : 233-238. Lien vers l'article.

Surveillez le potentiel de l'eau 301

Leo Rivera enseigne les compétences nécessaires pour créer une courbe caractéristique de l'eau du sol à partir des données du tensiomètre humide (HYPROP) et les données du point de rosée (WP4C) qui correspondent réellement au milieu.

Ces techniques permettent aux chercheurs de pousser leurs instruments au-delà de leurs spécifications. Découvrez les problèmes liés à ces mesures, notamment les effets de l'hystérésis et les changements dans les méthodes de préparation des échantillons nécessaires lorsque vous passez à la gamme humide.

LE POTENTIEL HYDRIQUE EN ACTION

Courbes de restitution de l'humidité du sol

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.

Qu'est-ce qu'une courbe de restitution de l'humidité du sol ?

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, et ces variables diffèrent d'un site à l'autre et d'un sol à l'autre.

La figure 9 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 1, 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.

D'où proviennent les données relatives à la courbe de libération de l'humidité ?

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.

Comment utiliser une courbe de restitution de l'humidité du sol

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 va se déplacer. Par exemple, dans la figure 10 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.

La figure 11 montre des courbes typiques de libération d'humidité pour un sable limoneux, un loam limoneux 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 12 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.

ZENTRA simplifie tout

Une fois les informations obtenues à partir d'une courbe de libération, l'enregistreur de données de METER et le système de contrôle de la qualité de METER sont utilisés. ZL6 enregistreur de données et ZENTRA Cloud simplifient le processus de maintien d'un niveau d'humidité optimal. Les limites supérieures et inférieures peuvent être définies sur ZENTRA cloud (voir la démonstration en direct), 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 quand allumer et éteindre 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

Les courbes de laboratoire, plus faciles que jamais

Il y a 15 à 20 ans, il fallait des mois pour obtenir une courbe complète et détaillée de la libération de l'humidité du sol en laboratoire, mais nous avons beaucoup progressé depuis. Mais nous avons beaucoup progressé depuis. Pourquoi ?

Les courbes de libération d'humidité ont toujours eu deux points faibles : une plage de données limitées entre 0 et -100 kPa et une plage de -100 kPa à -1000 kPa où aucun instrument ne pouvait effectuer de mesures précises. Entre 0 et -100 kPa, le sol perd la moitié ou plus de sa teneur en eau. L'utilisation de plaques de pression pour créer des points de données pour cette section d'une courbe de libération d'humidité signifiait que la courbe n'était basée que sur cinq points de données.

Et puis il y a l'écart. Les lectures les plus basses du tensiomètre s'arrêtent à -0,085 MPa, alors qu'historiquement, la gamme la plus élevée des compteurs de potentiel hydrique WP4 atteint à peine -1 MPa. Cela a laissé un trou dans la courbe en plein milieu de la plage disponible pour les plantes.

En 2008, la société allemande METER Group AG a lancé le HYPROP, un instrument capable de produire plus de 100 points de données dans la plage de 0 à -0,1 MPa. Cela a permis de résoudre le problème de la résolution avec plus de 20 fois plus de données derrière cette section de la courbe.

En 2010, METER Group a lancé le nouveau compteur de potentiel hydrique WP4C . Des gains significatifs en termes de précision et de portée permettent désormais au WP4C d'effectuer de bonnes lectures jusqu'à la gamme des tensiomètres. En utilisant HYPROP avec le nouveau WP4Cun expérimentateur compétent peut désormais établir des courbes de libération d'humidité complètes et à haute résolution. Pour obtenir des informations détaillées sur la façon de réaliser des courbes complètes de libération de l'humidité du sol en laboratoire, consultez notre Guide d'application des courbes de libération de l'humidité.

Attendez, il y a plus

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.

Vous voulez savoir comment les courbes de libération de l'humidité du sol peuvent être utilisées dans votre application ? Contactez-nous. Nos pédologues ont des dizaines d'années d'expérience pour aider les chercheurs à mesurer le continuum sol-plante-atmosphère. Ou regardez notre webinaire sur les courbes de libération de l'humidité du sol : Humidité du sol 201 : Les courbes de libération de l'humidité - révélées.

POTENTIEL DE L'EAU : UN PEU D'HISTOIRE

Comprendre l'écoulement de l'eau non saturée dans les sols

Au début du siècle dernier, le Bureau des sols (BOS) de l'USDA a recruté plusieurs physiciens purs pour s'attaquer à des problèmes complexes dans le domaine de l'agriculture. L'un d'entre eux était Edgar Buckingham. Lorsque Buckingham est entré au Bureau des sols en 1902, il était déjà l'auteur d'un texte sur la thermodynamique. Ses premières expériences au BOS concernaient le transport de gaz dans les sols, mais il en vint finalement à s'intéresser au problème de l'écoulement de l'eau non saturée dans le sol, et c'est là qu'il apporta sa plus grande contribution à la physique des sols.

En tant que physicien classique, Buckingham a utilisé les mathématiques pour examiner les mystères et la confusion entourant l'écoulement de l'eau dans le sol. Sachant que la teneur en eau n'est pas le moteur de l'écoulement dans un sol non saturé, le défi de Buckingham consistait à décrire les forces en jeu. Il était naturellement familiarisé avec les champs de force électriques et thermiques et le flux qu'ils créent. Ces concepts étaient des analogues confortables de la force motrice créée dans le sol par les gradients de ce qu'il a appelé la "conductivité capillaire". Buckingham a utilisé les lois d'Ohm et de Fourier pour décrire ce flux.

1902: Edgar Buckingham vient travailler au Bureau des sols. Son expérience en matière de thermodynamique a permis de commencer à comprendre l'écoulement de l'eau non saturée dans les sols.

1930s: L.A. Richards met au point la plaque de pression, l'un des premiers instruments capables de mesurer efficacement la "conductivité capillaire".

1940s: L.A. Richards et John Monteith publient des articles décrivant comment les psychromètres à thermocouple peuvent être utilisés pour mesurer le potentiel hydrique d'échantillons de sol.

1951: D.C. Spanner est le premier à démontrer avec succès l'utilisation d'un psychromètre à thermocouple pour mesurer le potentiel hydrique du sol.

1983: METER introduit le premier psychromètre à thermocouple disponible dans le commerce (le SC-10, plus tard connu sous le nom de TruPsi).

Mesurer le potentiel hydrique en laboratoire

Bien qu'Edgar Buckingham ait décrit et démontré la "conductivité capillaire" en 1907, il était loin de pouvoir la mesurer efficacement. Le premier instrument à le faire a été la plaque de pression créée par L.A. Richards dans les années 1930. Une plaque de pression ne mesure pas le potentiel hydrique d' un échantillon. En revanche, elle amène l'échantillon à un potentiel hydrique spécifique. L'instrument applique une pression pour forcer l'eau à sortir de l'échantillon et à pénétrer dans une plaque de céramique poreuse. Lorsque l'échantillon atteint l'équilibre, son potentiel hydrique est théoriquement équivalent à la pression appliquée.

Une fois que les échantillons de sol atteignent un potentiel hydrique spécifique sous pression, le chercheur peut mesurer la teneur en eau correspondante. Une caractéristique de l'humidité du sol peut être établie en effectuant ces mesures à différentes pressions.

Méthodes à la vapeur

Plus d'une décennie après l'introduction de la plaque de pression, L. A. Richards aux États-Unis et John Monteith en Grande-Bretagne ont publié des articles décrivant comment un psychromètre à thermocouple pouvait être utilisé pour mesurer le potentiel hydrique d'échantillons de sol en équilibrant l'échantillon avec de la vapeur dans une chambre fermée et en mesurant l'humidité relative de la vapeur. À l'équilibre, l'humidité relative de la vapeur est directement liée au potentiel hydrique de l'échantillon.

Le terme psychromètre, inventé en 1818 par l'inventeur allemand Ernst Ferdinand August (1795-1870), signifie en grec "mesureur de froid". Un psychromètre est constitué de deux thermomètres identiques. L'un (le bulbe sec) est maintenu sec tandis que l'autre (le bulbe humide) est maintenu saturé. La différence de température entre le bulbe humide et le bulbe sec permet de calculer l'humidité relative de l'air.

Psychromètres à thermocouple

Les premiers psychromètres utilisés pour mesurer l'humidité relative au-dessus d'un échantillon de sol étaient nécessairement très petits. Les deux thermomètres étaient constitués de minuscules et fragiles thermocouples. Un thermocouple est un capteur de température constitué de deux conducteurs dissemblables reliés en un point. Le thermocouple convertit un gradient de température en électricité, qui peut être mesurée pour déterminer les changements de température.

Les psychromètres à thermocouple ont été utilisés pour la première fois avec succès pour mesurer le potentiel hydrique par D.C. Spanner avant 1951, mais il s'agissait d'une mesure difficile à réaliser. Pour obtenir les résultats qu'il souhaitait, Spanner a dû fabriquer son propre fil en antimoine de bismuth - selon John Monteith, une hotte à Rothamsted a porté les marques de ces expériences pendant de nombreuses années.

D'autres ont eu du mal à reproduire ses mesures. Il fallait jusqu'à une semaine pour que les échantillons s'équilibrent, et les thermocouples fragiles ne lisaient souvent qu'un seul échantillon avant d'être cassés. Pourtant, en 1961, Richards voyait clairement dans les méthodes à la vapeur l'avenir des mesures du potentiel hydrique (Richards et Ogata, 1961).

Decagon (aujourd'hui METER) a introduit son premier psychromètre à thermocouple commercial (le SC-10 Thermocouple Psychrometer Sample Changer, plus tard TruPsi) en 1983. Cet instrument utilisait un thermocouple délicat mais le protégeait à l'intérieur d'un boîtier scellé. Neuf échantillons étaient équilibrés simultanément et tournaient sous le thermocouple pour être mesurés.

Avant chaque mesure, le thermocouple à bulbe humide a été plongé dans un minuscule réservoir d'eau. La sortie électrique du thermocouple était envoyée à un nanovoltmètre, qui devait être surveillé pour déterminer quand les températures cessaient de changer.

Compteurs de potentiel de l'eau au point de rosée

À la fin des années 1990, Decagon (aujourd'hui METER) a commencé à produire le WP4C Dew Point Potentiameter, une méthode améliorée de mesure du potentiel hydrique à l'aide de la pression de la vapeur. Comme le psychromètre, il mesure la pression de vapeur au-dessus d'un échantillon scellé dans une chambre. Les deux instruments sont des méthodes primaires basées sur des principes thermodynamiques.

Contrairement au psychromètre, le potentiomètre de point de rosée utilise un capteur de point de rosée à miroir réfrigéré. Un petit miroir placé dans la chambre est refroidi jusqu'à ce que de la rosée commence à s'y former. Au point de rosée, le site WP4C mesure les températures du miroir et de l'échantillon avec une précision de 0,001 °C pour déterminer l'humidité relative de la vapeur au-dessus de l'échantillon. Le potentiel hydrique de l'échantillon est linéairement lié à la différence entre la température de l'échantillon et la température du point de rosée.

Le capteur de point de rosée présente plusieurs avantages. Il est plus rapide et donne des mesures précises même lorsque l'opérateur est relativement peu qualifié. De plus, le capteur à miroir réfrigéré ne nécessite pas d'ajout d'eau et n'augmente donc pas la teneur en eau de la vapeur au-dessus de l'échantillon.

Cette mesure a l'avantage d'être une méthode primaire de détermination du potentiel hydrique basée solidement sur des principes thermodynamiques plutôt que sur l'étalonnage.

La version la plus récente de cet instrument peut résoudre des températures au millième de degré, ce qui permet de mesurer des échantillons aussi humides que -0,5 MPa avec une excellente précision.

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