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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.

Téléchargez le "Guide complet du potentiel de l'eau à l'usage des chercheurs"

Variables intensives et variables extensives

Le mouvement de l'eau dans l'environnement est en fait un problème de physique, et pour le comprendre, nous devons faire la distinction entre les variables intensives et extensives. La 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. Par exemple, l'état thermique d'une substance peut être décrit en termes de contenu thermique et de température.

Les deux variables sont liées, mais elles ne sont pas identiques. Le contenu thermique dépend de la masse, de la chaleur spécifique et de la température. En mesurant le contenu thermique, vous ne pouvez pas savoir si la chaleur sera transférée à un autre objet si les deux se touchent. Vous ne pouvez donc pas non plus savoir si l'objet est chaud ou froid ou s'il peut être touché sans danger.

Il est beaucoup plus facile de répondre à ces questions si vous connaissez la variable intensive, la température. En fait, bien qu'il puisse être important de mesurer à la fois les variables intensives et extensives, c'est souvent la variable intensive qui vous donne les informations les plus utiles. En ce qui concerne l'eau, la variable extensive est la teneur en eau, qui vous indique l'étendue ou la quantité d'eau dans les tissus végétaux ou le sol. La variable intensive est le potentiel hydrique, qui décrit l'intensité ou la qualité de l'eau dans les tissus végétaux ou le sol. La mesure du potentiel hydrique du sol est la meilleure façon de répondre à de nombreuses questions sur la disponibilité et le mouvement de 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 1. 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 2, 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 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 -2-5 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 facile pour certains types de cultures. Les plantes ne subiront pas de stress et auront un meilleur rendement si elles sont maintenues à l'intérieur de cette plage de confort du potentiel hydrique.

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 3, 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" et "Pourquoi les capteurs d'humidité du sol ne peuvent pas vous dire tout ce que vous avez besoin de savoir".

Noms, plages et unités des potentiels hydriques

La figure 4 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.

Composants du potentiel hydrique

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

• POTENTIEL MATRIQUE : Liaison de l'eau avec les surfaces.
• POTENTIEL OSMOTIQUE : Liaison avec les solutés présents dans l'eau.
• POTENTIEL GRAVITATIF : Position de l'eau dans un champ gravitationnel.
• POTENTIEL DE PRESSION : Pression hydrostatique ou pneumatique sur l'eau.

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.

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 5, le potentiel matriciel est à l'origine du film d'eau qui adhère 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.

Un outil de mesure de l'humidité du sol

Les courbes de restitution de l'humidité du sol (courbes caractéristiques de l'eau du sol) illustrent la relation entre le potentiel hydrique et la teneur en eau et sont comme des empreintes digitales physiques, uniques à chaque type de sol. Utilisez-les dans vos recherches pour comprendre et prévoir le devenir de l'eau dans votre sol. Les courbes de libération de l'humidité répondent à des questions essentielles telles que : 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 prédire l'absorption d'eau par les plantes, le drainage en profondeur, le ruissellement, etc.

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. Ou regardez la vidéo ci-dessous.

Les tensiomètres et le TEROS 21 sont tous deux des capteurs de potentiel hydrique du sol qui mesurent le potentiel matrique sur le terrain.

Pour savoir quel capteur de potentiel hydrique de terrain convient le mieux à votre application, lisez "Quel capteur de sol vous convient le mieux ?". Ou regardez le webinaire du Dr Colin Campbell ci-dessous, "Water Potential 201 : Choosing the Right Instrument", qui 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 comment choisir et utiliser les différents instruments de mesure du potentiel de l'eau, tels que les tensiomètres, TEROS 21, WP4C, HYPROPet bien d'autres encore.

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.

Maîtriser les bases

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.