Lorsque les chercheurs mesurent les propriétés hydrauliques du sol en laboratoire ou sur le terrain, ils ne voient probablement qu'une partie de l'image. Les systèmes de laboratoire sont très précis en raison des conditions contrôlées, mais les mesures en laboratoire ne tiennent pas compte de la variabilité du site, comme les racines, les fissures ou les trous de vers qui peuvent affecter l'hydrologie du sol. En outre, lorsque les chercheurs transportent un échantillon du terrain au laboratoire, ils compriment souvent les macropores du sol au cours du processus d'échantillonnage, ce qui modifie les propriétés hydrauliques du sol.
Les expériences sur le terrain aident les chercheurs à comprendre la variabilité et les conditions en temps réel, mais elles présentent des problèmes opposés. Le champ est un système non contrôlé. L'eau se déplace dans le profil du sol par évaporation, absorption par les plantes, remontée capillaire ou drainage en profondeur, ce qui nécessite de nombreuses mesures à différentes profondeurs et à différents endroits. Les chercheurs sur le terrain doivent également faire face à l'imprévisibilité des conditions météorologiques. En raison des précipitations, une expérience de séchage sur le terrain peut durer tout un été, alors qu'elle ne prend qu'une semaine en laboratoire.
| Laboratoire | Mesures | Champ d'application |
|---|---|---|
| PARIO | Texture du sol | |
| HYPROP | Potentiel hydrique (plage humide) | Tensiomètres (TEROS 32) |
| WP4C | Potentiel hydrique (gamme sèche) | TEROS 21 |
| HYPROPet méthode de séchage au four | Teneur en eau | Capteurs de teneur en eau volumétrique |
| KSAT | Conductivité hydraulique saturée | SATURO (champ saturé) |
| HYPROP | Conductivité hydraulique non saturée | Mini disk infiltrometer |
Les chercheurs qui utilisent à la fois des techniques de laboratoire et de terrain, tout en comprenant les forces et les limites de chaque méthode, peuvent améliorer de façon exponentielle leur compréhension de ce qui se passe dans le profil du sol. Par exemple, en laboratoire, un chercheur peut utiliser l'analyseur de texture du sol pour obtenir des données précises sur la texture du sol, y compris une analyse complète du profil du sol. PARIO analyseur de texture du sol pour obtenir des données précises sur la texture du sol, y compris une distribution complète de la taille des particules. Il peut ensuite combiner ces données avec une courbe de libération de l'humidité du sol générée par l'analyseur de texture du sol. HYPROP-Il peut ensuite combiner ces données avec une courbe de libération de l'humidité du sol générée pour comprendre les propriétés hydrauliques de ce type de sol. Si ce chercheur ajoute ensuite des données de terrain de haute qualité afin de comprendre les conditions réelles du terrain, il a soudain une vue d'ensemble.
Vous trouverez ci-dessous une exploration des instruments de laboratoire par rapport aux instruments de terrain et de la manière dont les chercheurs peuvent combiner ces instruments pour mieux comprendre leur profil pédologique. Cliquez sur les liens pour obtenir des informations plus approfondies sur chaque sujet.
| Points forts | Limites | |
|---|---|---|
| Instrumentation de laboratoire |
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| Instrumentation de terrain |
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L'analyse du type de sol et de la taille des particules est la première fenêtre sur le sol et ses caractéristiques uniques. Chaque chercheur doit identifier le type de sol sur lequel il travaille afin de pouvoir comparer ses données. Si les chercheurs ne connaissent pas leur type de sol, ils ne peuvent pas faire d'hypothèses sur l'état de l'eau du sol en se basant sur la teneur en eau (par exemple, s'ils travaillent avec des plantes, ils ne pourront pas prédire s'il y aura de l'eau disponible pour les plantes). En outre, les différents types de sol dans les horizons du sol peuvent influencer la sélection des mesures, le choix des capteurs et leur emplacement.
L'analyse de la taille des particules définit le pourcentage de matériaux grossiers par rapport aux matériaux fins qui composent un sol. Grâce à cette connaissance, un chercheur peut estimer la capacité d'un sol particulier à retenir l'eau. L'analyse granulométrique va au-delà de la simple définition du type de sol. L'analyse granulométrique agit davantage comme une empreinte digitale du sol, montrant la distribution unique de la taille des particules dans les fractions de sable, de limon et d'argile. Cette information peut aider un ingénieur géotechnicien à comprendre comment un sol qui se rétracte réagira dans le temps, ou peut influencer les décisions d'irrigation d'un cultivateur. La distribution de la taille des particules peut également fournir des indications sur la façon dont le sol s'est formé, ou se formera éventuellement, et elle influence la conductivité hydraulique saturée : plus le matériau est grossier, plus l'eau se déplacera facilement.
Historiquement, les chercheurs identifiaient la texture du sol à l'aide de méthodes rudimentaires telles que le test du ruban, la méthode de la pipette ou la technique de l'hydromètre qui prend beaucoup de temps. PARIO now automatise le processus d'analyse de la texture du sol, ce qui permet de gagner du temps et d'améliorer la précision. PARIO fournit aux chercheurs une analyse complète de la distribution de la taille des particules, y compris une ventilation de la fraction de limon fin, de limon moyen, d'argile et de sable. Après avoir obtenu l'analyse, le logiciel calcule automatiquement son emplacement sur le triangle de texture du sol de l'USDA afin d'identifier avec précision le type de sol.
Les chercheurs devraient utiliser PARIO comme première étape pour comprendre leur sol, avant de décider des autres paramètres à mesurer. Cela les aidera à déterminer quels instruments de laboratoire ou de terrain seront les plus efficaces pour atteindre leurs objectifs de recherche.
Chaque type de sol présente une courbe de restitution de l'humidité (ou courbe caractéristique de l'eau du sol) différente. Les chercheurs utilisent les courbes de libération de l'humidité pour comprendre comment le sol et les plantes réagiraient si l'humidité changeait dans un sol donné au fil du temps. Elle leur indique à quelle vitesse la quantité d'eau(teneur en eau) changera par rapport à la quantité d'eau disponible(potentiel hydrique).
![A graph showing a Soil moisture release curve (or soil water characteristic curve [SWCC])](https://metergroup.com/app/uploads/2023/05/soil-moisture-release-curve-1-1.jpg)
Les courbes de libération de l'humidité aident les chercheurs à prévoir si l'eau va se déplacer et où elle va aller. Une courbe de libération illustre également la quantité d'eau qui sera disponible pour les plantes à différentes teneurs en eau au fil du temps. Par exemple, dans un sable proche de la saturation, la teneur en eau changera rapidement au fil du temps alors que le potentiel hydrique ne diminuera que légèrement. Cela s'explique par le fait que les grands pores et la faible surface du sable ne retiennent pas étroitement l'eau, ce qui la rend plus disponible. À l'inverse, dans une argile proche de la saturation, la quantité d'eau varie plus lentement tandis que le potentiel hydrique change relativement rapidement, car la surface plus élevée de l'argile et ses pores plus petits retiennent l'eau plus étroitement, ce qui en libère moins pour les plantes ou le mouvement de l'eau. La courbe de restitution d'eau illustre la relation entre la teneur en eau et le potentiel hydrique et montre aux chercheurs comment le sol se comportera dans n'importe quelle condition.
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La façon la plus simple de créer une courbe de déshydratation est de le faire en laboratoire. Le HYPROP est un instrument de laboratoire unique qui utilise la méthode d'évaporation Wind/Schindler pour générer des courbes de libération d'humidité sur des sols dont le potentiel hydrique se situe dans la plage des tensiomètres, c'est-à-dire dans la plage où l'eau se déplace le plus. À l'aide de deux tensiomètres de précision, il produit automatiquement plus de 100 points de données dans la plage de 0 à -100 kPa. Il faut trois à cinq jours pour établir la courbe, mais l'instrument fonctionne sans surveillance. La portée du site HYPROPest limitée par celle des tensiomètres, mais il peut être combiné avec le site WP4C pour produire une courbe de libération de l'humidité sur toute la plage d'humidité.
L'appareil est un instrument de laboratoire qui mesure le potentiel hydrique dans la plage sèche. WP4C est un instrument de laboratoire qui mesure le potentiel hydrique dans la plage sèche en déterminant l'humidité relative de l'air au-dessus d'un échantillon dans une chambre fermée. Une fois que l'échantillon est en équilibre avec la vapeur d'eau dans la chambre scellée du WP4C, l'instrument détermine l'humidité relative à l'aide de la méthode du miroir réfrigéré. Cette méthode consiste à refroidir un petit miroir dans la chambre jusqu'à ce que de la rosée commence à se former sur celui-ci. Au point de rosée, le WP4C mesure la température du miroir et de l'échantillon avec une précision de 0,001 °C. Cela permet au WP4C de fournir des mesures de potentiel hydrique avec une précision inégalée dans la plage de -0,05 MPa à -300 MPa.
Le site WP4C peut être utilisé avec le site HYPROP pour créer une courbe complète de libération de l'humidité du sol sur toute la gamme d'humidité du sol. Regardez la vidéo pour voir comment cela fonctionne. Cette courbe, combinée aux informations extraites du site PARIO , peut être un outil puissant pour comprendre les propriétés hydrauliques du sol.
Apprenez à combiner HYPROP et WP4C pour obtenir une courbe de déshydratation complète.
Les sites HYPROP et WP4C permettent d'établir rapidement des courbes précises de libération de l'humidité du sol (courbes caractéristiques de l'eau du sol - CCEP), mais les mesures en laboratoire présentent certaines limites : le débit des échantillons limite le nombre de courbes pouvant être produites, et les courbes générées en laboratoire ne représentent pas leur comportement in situ. Cependant, les courbes de rétention d'eau du sol produites en laboratoire peuvent être associées à des informations provenant de courbes de libération d'humidité in situ pour une meilleure compréhension de la variabilité dans le monde réel. L'utilisation conjointe de capteurs de potentiel matriciel et de capteurs de teneur en eau in situ permet d'ajouter de nombreuses autres courbes de libération d'eau à la base de connaissances du 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. Un article récent de Campbell et al. (2018), "Comparing in situ soil water characteristic curves to those generated inthe lab", présenté à la Conférence panaméricaine des sols non saturés, montre à quel point les SWCC générées in situ à l'aide du capteur de potentiel matrique calibré TEROS 21 et descapteurs d'humidité du sol de METER sont comparables à celles créées en laboratoire. Les SWCC de terrain et de laboratoire se comparent assez bien, mais quelques facteurs réduisent leur concordance. Dans les sols à texture grossière, l'élimination des racines vivantes a provoqué une divergence à mesure que la succion du sol augmentait, et les carottes intactes se comparaient plus favorablement que les carottes perturbées. Dans les sols à texture plus fine, les comparaisons étaient favorables mais étaient également affectées lorsque les échantillons de laboratoire étaient perturbés. Les données suggèrent que les capteurs in situ colocalisés pourraient fournir une augmentation importante des données de laboratoire pour le développement d'une large gamme de SWCC afin de créer une compréhension plus robuste du comportement du sol non saturé.
Tout comme les courbes de restitution de l'humidité du sol en laboratoire et in situ, les mesures en laboratoire et sur le terrain de la conductivité hydraulique saturée et non saturée peuvent être utilisées en tandem pour une compréhension plus approfondie des propriétés hydrauliques de n'importe quel type de sol. La comparaison de ces mesures à différentes profondeurs et à différents endroits peut donner un aperçu des divers horizons du sol et aider les chercheurs à comprendre les données d'infiltration à long terme de chacun de ces horizons (par exemple, si un horizon devient saturé, comment cela modifiera-t-il un modèle de ruissellement ?)
Les scientifiques peuvent utiliser des instruments de terrain pour déterminer comment l'eau s'infiltre sur le terrain, et ils peuvent ajouter des mesures en laboratoire pour identifier l'horizon le plus limitant. Par exemple, un horizon de surface peut être un loam sableux, mais le site PARIO peut révéler qu'une couche plus profonde a une teneur en argile plus élevée et une conductivité hydraulique plus faible. L'utilisation conjointe des mesures de laboratoire et de terrain permet de déterminer quel horizon est à l'origine de la plus faible perméabilité pendant les périodes plus humides.
Les données de conductivité hydraulique saturée sur le terrain provenant du SATURO peuvent être complétées par des KSAT mesures en laboratoire. Les données de conductivité hydraulique non saturée produites sur le terrain par le Mini Disk Infiltrometer peuvent être mieux comprises lorsque le chercheur les associe aux données de conductivité hydraulique non saturée du laboratoire ( HYPROP ). HYPROP utilise les mêmes tensiomètres internes qui génèrent les courbes de libération de l'humidité pour mesurer automatiquement la conductivité hydraulique non saturée et modéliser ensuite la conductivité hydraulique saturée. En règle générale, les mesures effectuées en laboratoire et sur le terrain ne correspondent pas en raison de la variabilité du monde réel, mais l'analyse conjointe des informations permet de mieux comprendre la situation.
Apprenez à combiner la conductivité hydraulique avec d'autres mesures
Les chercheurs peuvent également combiner les données de conductivité hydraulique provenant de deux instruments de laboratoire, le KSAT et le HYPROP, pour produire une courbe de conductivité hydraulique complète (figure 2). Une courbe de conductivité hydraulique vous indique, à un potentiel hydrique donné, la capacité du sol à conduire l'eau (c'est-à-dire, lorsque le sol s'assèche, quelle est la capacité de l'eau à aller du haut d'un échantillon [ou d'une couche de sol sur le terrain] vers le bas). Ces courbes sont utilisées dans la modélisation pour illustrer ou prédire ce qui arrivera à l'eau se déplaçant dans un système de sol dans des conditions d'humidité fluctuantes.
En savoir plus sur les courbes de conductivité hydraulique
Dans la vidéo ci-dessous, Leo Rivera, expert en humidité du sol, enseigne les bases de la conductivité hydraulique et des courbes de conductivité hydraulique.
La mesure d'un seul paramètre tel que la teneur en eau peut donner aux chercheurs un point de départ pour comprendre leur sol, mais ils ne comprendront pas ce que ce pourcentage d'eau leur dit sans connaître d'autres informations telles que le type de sol, le potentiel hydrique ou la conductivité hydraulique. Pour mieux comprendre le sol, les chercheurs peuvent utiliser conjointement la distribution de la taille des particules, les courbes de conductivité hydraulique et les courbes de libération d'humidité pour obtenir les informations les plus précises et les plus complètes. L'utilisation de deux types de courbes différents peut même aider les chercheurs à isoler des problèmes obscurs, tels qu'une courbe de libération d'humidité à double porosité dans un substrat sans sol. Les instruments de laboratoire et de terrain utilisés ensemble peuvent fournir aux chercheurs une symphonie d'informations et peuvent être utilisés comme des outils puissants pour comprendre les données et prédire le comportement d'un sol dans le temps.
Six courtes vidéos vous apprennent tout ce que vous devez savoir sur la teneur en eau du sol et le potentiel hydrique du sol, et pourquoi vous devez les mesurer ensemble. De plus, vous maîtriserez les bases de la conductivité hydraulique du sol.
Nos scientifiques ont des dizaines d'années d'expérience pour aider les chercheurs et les cultivateurs à mesurer le continuum sol-plante-atmosphère.
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