Les courbes de libération de l'humidité du sol (également appelées courbes caractéristiques de l'eau du sol ou courbes de rétention de l'eau du sol) sont comme des empreintes digitales physiques, uniques à chaque type de sol. Les chercheurs les utilisent pour comprendre et prévoir le devenir de l'eau dans un sol particulier à une condition d'humidité spécifique. Les courbes de libération de l'humidité répondent à des questions essentielles telles que : à partir de quel taux d'humidité le sol subira-t-il un flétrissement permanent ? Combien de temps dois-je irriguer ? L'eau s'écoulera-t-elle rapidement à travers le sol ou sera-t-elle retenue dans la zone racinaire ? Ce sont des outils puissants utilisés pour prévoir l'absorption d'eau par les plantes, le drainage en profondeur, le ruissellement, etc.
Il existe une relation entre le potentiel hydrique et la teneur en eau volumétrique qui peut être illustrée à l'aide d'un graphique. Ensemble, ces données créent une courbe appelée courbe de restitution de l'humidité du sol. La forme de la courbe de libération de l'humidité du sol est propre à chaque sol. Elle est influencée par de nombreuses variables telles que la texture du sol, la densité apparente, la quantité de matière organique et la composition réelle de la structure des pores, et ces variables diffèrent d'un site à l'autre et d'un sol à l'autre.
La figure 1 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.
Pour comprendre les courbes de restitution de l'humidité du sol, il est nécessaire d'expliquer les propriétés extensives et intensives. La plupart des gens ne considèrent l'humidité du sol que sous l'angle d'une seule variable : la teneur en eau du sol. Or, deux types de variables sont nécessaires pour décrire l'état de la matière ou de l'énergie dans l'environnement. Une variable extensive décrit l'étendue (ou la quantité) de matière ou d'énergie. La variable intensive décrit l'intensité (ou la qualité) de la matière ou de l'énergie.
| Variable étendue | Intensif Variable |
|---|---|
| Volume | Densité |
| Teneur en eau | Potentiel hydrique |
| Teneur en chaleur | Température |
La teneur en eau du sol est une variable importante. Elle décrit la quantité d'eau présente dans l'environnement. Le potentiel hydrique du sol est une variable intensive. Elle décrit l'intensité ou la qualité (et dans la plupart des cas la disponibilité) de l'eau dans l'environnement. Pour comprendre comment cela fonctionne, pensez aux variables extensives et intensives en termes de chaleur. Le contenu thermique (variable extensive) décrit la quantité de chaleur stockée dans une pièce. La température (variable intensive) décrit la qualité (niveau de confort) ou la manière dont votre corps perçoit la chaleur dans cette pièce.
La figure 2 montre un grand navire dans l'Arctique et une canne à pêche qui vient d'être chauffée dans un feu. Lequel de ces deux objets a un contenu thermique plus élevé ? Il est intéressant de noter que le navire dans l'Arctique a un contenu thermique plus élevé que la barre chauffante, mais que c'est la barre qui a une température plus élevée.
Si nous mettons la barre chauffante en contact avec le navire, quelle variable régit le flux d'énergie ? La variable intensive, la température, régit la manière dont l'énergie se déplace. La chaleur se déplace toujours d'une température élevée à une température basse.
Comme pour la chaleur, la teneur en eau du sol n'est qu'une quantité. Elle ne nous dit pas comment l'eau va se déplacer ni le niveau de confort d'une plante (eau disponible pour la plante). En revanche, le potentiel hydrique du sol, la variable intensive, permet de prédire la disponibilité et le mouvement de l'eau. Comment cela se passe-t-il ?
Eau 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 plante s'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.
Mouvement de l'eau: L'eau du sol se déplace toujours d'un potentiel hydrique élevé vers un potentiel hydrique faible. Par exemple, si le potentiel hydrique d'un sol est de -50 kPa, l'eau se déplacera vers la couche de sol ayant un potentiel hydrique plus négatif de -100 kPa.
Cela correspond également à ce qui se passe dans le continuum plante-sol-atmosphère. 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 vont extraire l'eau du sol. L'eau remontera ensuite par le xylème et sortira par les feuilles en traversant ce gradient de potentiel. L'atmosphère, à -100 MPa, est à l'origine de ce gradient. Le potentiel hydrique définit donc la direction dans laquelle l'eau se déplacera dans le système.
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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 d'humidité du sol en temps quasi réel directement par l'intermédiaire de 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 et le TEROS 32 est un tensiomètre nécessitant peu d'entretien qui mesure également le potentiel hydrique.
Dans le laboratoire, vous pouvez combiner les fonctions METER HYPROP et WP4C pour générer automatiquement des courbes complètes de libération de l'humidité du sol sur toute la plage d'humidité du sol.
Comparez les courbes de dégagement d'humidité en laboratoire et in situ.
Une courbe de restitution de l'humidité du sol relie la variable extensive de la teneur en eau volumétrique à la variable intensive du potentiel hydrique. La représentation graphique des variables extensives et intensives permet aux chercheurs et aux irrigants de répondre à des questions cruciales, telles que l'endroit où l'eau du sol se déplacera. Par exemple, dans la figure 5 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 6 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 7 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. La teneur en eau correspondant à ces potentiels hydriques indique à l'irrigateur que la teneur en eau du limon doit être maintenue à environ 32 % (0,32 m3/m3). Les capteurs d'humidité du sol peuvent l'alerter lorsqu'il dépasse ou se trouve en dessous de cette limite optimale.
Une fois les informations obtenues à partir d'une courbe de libération, l'enregistreur de donnéesZL6 de METER et le logiciel de gestion de l' humidité de METER simplifient le processus de maintien d'un niveau d'humidité optimal. ZENTRA Cloud simplifient le processus de maintien d'un niveau d'humidité optimal. Des limites supérieures et inférieures peuvent être définies sur ZENTRA cloud , et elles apparaissent sous la forme d'une bande ombrée superposée aux données d'humidité du sol en temps quasi réel (ombres bleues), ce qui permet de savoir facilement quand ouvrir ou fermer l'arrosage. Des avertissements sont même automatiquement envoyés lorsque ces limites sont approchées ou dépassées.
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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.
La mise en place de capteurs de potentiel hydrique et de capteurs d'humidité du sol in situ permet d'ajouter de nombreuses courbes de libération d'humidité à la base de connaissances d'un chercheur. Et comme c'est principalement la performance en place des sols non saturés qui préoccupe les ingénieurs géotechniques et les spécialistes de l'irrigation, l'idéal serait d'ajouter des mesures in situ aux courbes produites en laboratoire.
Dans le webinaire ci-dessous, Colin Campbell, chercheur scientifique de METER, résume un article récent présenté à la Conférence panaméricaine des sols non saturés. L'article, "Comparing in situ soil water characteristic curves to those generated in the lab" par Campbell et al. (2018), illustre à quel point les SWCC générées in situ à l'aide du capteur de potentiel matrique calibré TEROS 21 et des capteurs de teneur en eau METER sont comparables à celles créées en laboratoire.
Les courbes de restitution de l'humidité du sol peuvent fournir encore plus de renseignements et d'informations qui dépassent le cadre de cet article. Les chercheurs les utilisent pour comprendre de nombreuses questions telles que la capacité de retrait-gonflement du sol, la capacité d'échange cationique ou la surface spécifique du sol. Dans la vidéo ci-dessous, Leo Rivera, expert en humidité du sol, donne des informations plus détaillées sur la manière d'utiliser une courbe de libération de l'humidité pour analyser les comportements individuels du sol par rapport à l'eau.
Tout ce que vous devez savoir sur la mesure de l'humidité du sol - en un seul endroit.
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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.
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TDR, FDR, capacité, résistance : Une comparaison des méthodes courantes de mesure de l'humidité du sol, de leurs avantages et inconvénients, et de leurs applications uniques.
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La plupart des gens ne considèrent l'humidité du sol que sous l'angle d'une seule variable, la teneur en eau. Or, deux types de variables sont nécessaires pour décrire l'état de l'eau dans le sol.
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