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.
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.
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 des erreurs significatives (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.
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.
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.
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.
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).
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.
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).
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.
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 avoir une excellente précision.
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 destensiomètres qui sont des classiques modernes grâce à la précision de l'ingénierie allemande, à la construction méticuleuse et à l'attention fanatique portée aux détails. Ces tensiomètres ont une précision remarquable et une plage qui (avec un opérateur attentif) peut s'étendre jusqu'à -250 kPa.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Les carreaux de plâtre sont incroyablement bon marché et relativement faciles à utiliser.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
À moins qu'il ne soit calibré individuellement, le capteur de dissipation thermique n'a qu'une précision modérée.
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.
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.
Les capteurs de potentiel diélectrique sont peu gourmands en énergie et ne nécessitent pas d'entretien.
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.
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Un aperçu complet de la science qui sous-tend la mesure du potentiel de l'eau.
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