Que vous soyez un étudiant de troisième cycle se lançant dans une campagne de mesures environnementales, un chercheur expérimenté ou un agriculteur soucieux de gérer l'irrigation, vous avez probablement réalisé à un moment donné que vous deviez mesurer l'humidité du sol. Pourquoi ? Parce que la disponibilité de l'eau est l'un des principaux moteurs de la productivité des écosystèmes et que l'humidité du sol (c'est-à-dire la teneur en eau du sol/le potentiel hydrique du sol) est la source immédiate d'eau pour la plupart des plantes. Qu'est-ce que l'humidité du sol ? Vous trouverez ci-dessous une vue d'ensemble de la définition de l'humidité du sol et une exploration de certains termes scientifiques importants utilisés en relation avec l'humidité du sol.
L'humidité du sol est plus qu'une simple connaissance de la quantité d'eau dans le sol. Il existe des principes de base que vous devez connaître avant de décider comment la mesurer. Voici quelques questions qui peuvent vous aider à vous concentrer sur ce que vous essayez réellement de découvrir.
Selon la question qui vous intéresse, l'humidité du sol peut avoir une signification très différente.
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 l'eau dans le sol : la teneur en eau, qui est la quantité d'eau, et le potentiel hydrique, qui est l'état énergétique de l'eau.
La teneur en eau du sol est une variable étendue. Elle varie en fonction de la taille et de la situation. Elle est définie comme la quantité d'eau par unité totale de volume ou de masse. En gros, c'est la quantité d'eau qu'il y a dans le sol.
Le potentiel hydrique est une variable "intensive" qui décrit l'intensité ou la qualité de la matière ou de l'énergie. Il est souvent comparé à la température. Tout comme la température indique le niveau de confort d'un être humain, le potentiel hydrique peut indiquer le niveau de confort d'une plante. Le potentiel hydrique est l'énergie potentielle par mole (unité de masse, de volume ou de poids) d'eau par rapport à de l'eau pure au potentiel zéro. Vous pouvez considérer le potentiel hydrique comme le travail nécessaire pour retirer une petite quantité d'eau du sol et la déposer dans une piscine d'eau pure et libre.
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Cet article examine brièvement deux méthodes différentes de mesure de la teneur en eau du sol : la teneur en eau gravimétrique et la teneur en eau volumétrique.
La teneur en eau gravimétrique est la masse d'eau par masse de sol (c'est-à-dire les grammes d'eau par gramme de sol). Il s'agit de la principale méthode de mesure de la teneur en eau du sol, car la quantité d'eau du sol est mesurée directement par la mesure de la masse. Elle est calculée en pesant le sol humide prélevé sur le terrain, en le séchant dans une étuve, puis en pesant le sol sec.
La teneur en eau gravimétrique est donc égale à la masse du sol humide moins la masse du sol sec divisée par la masse du sol sec. En d'autres termes, la masse de l'eau divisée par la masse du sol.
La teneur en eau volumétrique est le volume d'eau par rapport au volume total du sol.
La teneur en eau volumétrique décrit la même chose que la teneur en eau gravimétrique, sauf qu'elle est exprimée en volume.
Par exemple, les composants d'un volume connu de sol sont présentés dans la figure 1. Le total des composants est de 100 %. Comme la teneur en eau volumétrique (CEV) est égale au volume d'eau divisé par le volume total du sol, dans ce cas, la CEV sera de 35 %. La teneur en eau volumétrique est parfois exprimée en cm3/cm3 ou en pouces par pied.
La teneur en eau gravimétrique(w) peut être convertie en teneur en eau volumétrique(ϴ) en la multipliant par la densité apparente sèche du sol(⍴b) (équation 3).
La teneur en eau gravimétrique étant la première méthode (ou méthode directe) de mesure de la quantité d'eau dans le sol, elle est utilisée pour développer des étalonnages et valider les lectures de presque toutes les mesures VWC qui sont détectées soit in situ soit à distance. Si vous disposez d'un capteur diélectrique, vous avez une relation qui convertit ce que vous lisez dans votre champ électromagnétique en teneur en eau du sol. Donc, si vous n'êtes pas sûr que votre teneur en eau volumétrique est correcte, prélevez un échantillon de sol, mesurez la teneur en eau gravimétrique, prélevez un échantillon de densité apparente et vérifiez par vous-même.
La plupart des mesures de la teneur en eau volumétrique sont effectuées à l'aide d'une sorte de capteur. Lescapteurs de teneur en eau METER utilisent la technologie de la capacité. Pour effectuer cette mesure, ces capteurs tirent parti de la "polarité" de l'eau. Comment cela fonctionne-t-il ?
La figure 2 montre une molécule d'eau. Il y a un pôle négatif en haut avec un atome d'oxygène et un pôle positif en bas avec deux atomes d'hydrogène. Si nous introduisions un champ électromagnétique (figure 3) dans le sol, cette molécule d'eau se mettrait à danser. Si le champ était inversé, elle danserait dans l'autre sens. Ainsi, en créant un champ électromagnétique avec un capteur de teneur en eau, il est possible de mesurer l'effet de l'eau sur ce champ électromagnétique. S'il y a plus d'eau dans le sol, l'effet sera plus important. Pour en savoir plus sur la technologie de la capacité, cliquez ici.
L'utilisation d'un capteur de teneur en eau du sol permet d'obtenir une série chronologique (figure 4), un outil puissant pour comprendre ce qui se passe dans le sol. Pour mesurer la teneur en eau par gravimétrie, il faut prélever un échantillon ou une série d'échantillons et les ramener au laboratoire. Si vous avez besoin d'une série temporelle, cela n'est pas pratique car vous seriez essentiellement sur le terrain en train de prélever des échantillons en permanence.
Avec un capteur de teneur en eau, vous pouvez mesurer automatiquement le moment des changements de teneur en eau du sol et comparer les profondeurs dans un profil. Les formes de ces courbes fournissent des informations importantes sur l'évolution de l'eau dans votre sol.
Le tableau 1 compare les différentes méthodes de détection du sol.
| Teneur en eau gravimétrique | Capteurs VWC | Télédétection (SMOS) |
|---|---|---|
| Premiers principes/méthode directe | Pratique pour les séries chronologiques | Possibilité de réaliser des séries temporelles à une échelle limitée |
| Le temps est compté | Permet la détection des profils dans le temps | Extrêmement puissant pour l'échantillonnage spatial |
| Destructeur | Moins intrusif | |
| Un seul instantané dans le temps |
La teneur en eau gravimétrique est une bonne mesure de principe, mais elle prend du temps, est destructive et ne donne qu'un instantané dans le temps. Les capteurs de teneur en eau du sol fournissent une série chronologique, permettent d'établir des profils dans le temps et évitent un échantillonnage destructif, bien qu'un capteur soit toujours inséré dans le sol. La télédétection fournit une série temporelle à une échelle limitée, mais elle est extrêmement puissante pour l'échantillonnage spatial, ce qui est important pour mesurer la teneur en eau. Les capteurs d'humidité du sol METER réduisent les perturbations grâce à unoutil d'installation spécialisé , conçu pour minimiser les perturbations du site (regardez la vidéo pour voir comment cela fonctionne).
En termes de teneur en eau volumétrique, un sol séché à l'étuve a une teneur en eau volumétrique de 0 % par définition. Il s'agit d'un point limite défini. L'eau pure se trouve à l'autre extrémité de l'échelle, à 100 %. De nombreuses personnes pensent qu'une teneur en eau volumétrique de 100 % correspond à un sol entièrement saturé, mais ce n'est pas le cas. Chaque type de sol se sature à des teneurs en eau différentes.
Le pourcentage de saturation est une façon de voir les choses :
% de saturation = VWC/porosité * 100
Si vous connaissez la porosité d'un type de sol donné, il est possible d'estimer la teneur en eau à saturation. Mais les sols atteignent rarement la saturation sur le terrain. Pourquoi ?
Dans la figure 6, vous pouvez voir que lorsque le sol adsorbe l'eau, il crée un film d'eau qui s'accroche aux particules du sol. Il y a également des pores remplis d'air. Dans les conditions de terrain, il est difficile d'éliminer ces espaces d'air. Ce piégeage de l'air est la raison pour laquelle le pourcentage de saturation sera rarement égal au maximum théorique de saturation pour un type de sol donné.
Le potentiel hydrique est l'autre variable utilisée pour décrire l'humidité du sol. Comme indiqué précédemment, il est défini comme l'état énergétique du sol ou l'énergie potentielle par mole d'eau par rapport à l'eau pure au potentiel zéro. Qu'est-ce que cela signifie ? Pour comprendre ce principe, comparez l'eau contenue dans unéchantillon de sol ( ) à l'eau contenue dans un verre à boire. L'eau du verre est relativement libre et disponible ; l'eau du sol est liée aux surfaces et peut être diluée par des solutés et même sous pression. Par conséquent, l'eau du sol a un état énergétique différent de celui de l'eau "libre". L'eau libre est accessible sans effort. L'eau du sol ne peut être extraite qu'en dépensant une énergie équivalente ou supérieure à l'énergie avec laquelle elle est retenue. Le potentiel de l'eau exprime la quantité d'énergie que vous devriez dépenser pour extraire l'eau de l'échantillon de sol.
Le potentiel hydrique est la somme de quatre composantes différentes: le potentiel gravitationnel + le potentiel matriciel + le potentiel de pression + le potentiel osmotique (équation 3).
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 6, 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. Regardez la vidéo ci-dessous pour voir le potentiel matriciel en action.
Le gradient de potentiel hydrique est la force motrice de l'écoulement de l'eau dans le sol. Le potentiel hydrique du sol est le meilleur indicateur de l'eau disponible pour les plantes(pour en savoir plus, cliquez ici). Tout comme la teneur en eau, le potentiel hydrique peut être mesuré à l'aide de capteurs, à la fois en laboratoire et sur le terrain. Voici quelques exemples de différents types de capteurs de potentiel hydrique sur le terrain.
L'eau se déplace 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 7. 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.
Cela correspond également à ce qui se passe dans le continuum plante-sol-atmosphère. Dans la figure 8, 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 dans le xylème, puis dans 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.
L'eau disponible pour les plantes est la différence de teneur en eau entre la capacité du champ et le point de flétrissement permanent dans le sol ou le milieu de culture (voir les définitions ci-dessous). La plupart des cultures subiront une perte de rendement significative si le sol est laissé à sécher, même à proximité du point de flétrissement permanent. Pour maximiser le rendement des cultures, la teneur en eau du sol sera généralement maintenue bien au-dessus du point de flétrissement permanent, mais l'eau disponible pour les plantes reste un concept utile car il indique la taille du réservoir d'eau dans le sol. Avec quelques connaissances de base sur le type de sol, la capacité au champ et le point de flétrissement permanent peuvent être estimés à partir de mesures effectuées par des capteurs d'humidité du sol in situ. Ces capteurs fournissent en continu des données sur la teneur en eau du sol qui peuvent guider les décisions de gestion de l'irrigation afin d'augmenter le rendement des cultures et l'efficacité de l'utilisation de l'eau.
La capacité hydrique au champ est définie comme "la teneur en eau, en masse ou en volume, restant dans un sol deux ou trois jours après avoir été mouillé avec de l'eau et après que le drainage libre est négligeable". Glossaire des termes de la science du sol. Soil Science Society of America, 1997. On considère souvent qu'il s'agit de la teneur en eau à -33 kPa de potentiel hydrique pour les sols à texture fine ou à -10 kPa pour les sols sableux, mais il ne s'agit là que de points de départ grossiers. La capacité réelle au champ dépend des caractéristiques du profil du sol. Elle doit être déterminée à partir des données relatives à la teneur en eau relevées sur le terrain. Si vous examinez les données relatives à la capacité au champ, il est bon de savoir comment ce point a été obtenu.
Même si nous spécifions généralement la capacité au champ en termes de potentiel hydrique, il est important de comprendre qu'il s'agit en réalité d'une propriété d'écoulement. L'eau descend dans le profil du sol sous l'influence du gradient de potentiel gravitationnel. Elle continuera à descendre indéfiniment, mais à mesure que le sol s'assèche, la conductivité hydraulique diminue rapidement, rendant finalement le flux descendant faible par rapport aux pertes dues à l'évaporation et à la transpiration. Imaginez le sol comme un seau qui fuit. Les plantes essaient d'attraper une partie de l'eau lorsqu'elle descend dans la zone des racines.
À l'autre extrémité de l'échelle se trouve le point de flétrissement permanent. Le point de flétrissement permanent a été déterminé expérimentalement chez le tournesol et défini comme étant de -15 bars (-1500 kPa, Briggs et Shantz, 1912, p. 9). Il s'agit du potentiel du sol auquel les tournesols se flétrissent et sont incapables de se rétablir pendant la nuit. En théorie, c'est le réservoir vide, où il y a une perte totale de la pression de turgescence et où la plante est flétrie. Mais -1500 kPa n'est pas nécessairement le point de flétrissement de toutes les plantes. De nombreuses plantes se "flétrissent" à des moments différents ; certaines commencent à se protéger contre des dommages permanents bien avant -1500 kPa et d'autres bien après. Ainsi, -1500 kPa est un point de référence utile dans le sol, mais sachez qu'un cactus ne se soucie probablement pas de -1500 kPa, et qu'un pin ponderosa ne s'éteindra certainement pas à ce moment-là. Il peut donc avoir des significations différentes selon les plantes ou les cultures (pour en savoir plus : M.B. Kirkham. Principles of Soil and Plant Water Relations, 2005, Elsevier).
Vous pouvez rapidement et facilement déterminer le point de flétrissement permanent de n'importe quel sol à l'aide du logiciel METER. WP4C.
Pour tirer des conclusions significatives sur la teneur en eau, vous devez connaître votre type de sol.
La figure 9 est un tableau des classes de texture les plus courantes, du sable à l'argile. Chaque texture présente une distribution granulométrique différente. Le tableau 2 montre qu'à -1500 kPa (point de flétrissement permanent), chaque classe de texture a une teneur en eau différente. Il en va de même pour la capacité au champ.
| Texture | FC (v%) | PWP (v%) |
|---|---|---|
| Sable | 5 | 1 |
| Sable limoneux | 10 | 2 |
| Loam sableux | 17 | 6 |
| Loam sablo-argileux | 32 | 19 |
| Terreau | 27 | 14 |
| Sandy Clay | 38 | 28 |
| Loam limoneux | 27 | 13 |
| Limon | 24 | 10 |
| Argile Loam | 36 | 23 |
| Loam limono-argileux | 36 | 22 |
| Argile limoneuse | 40 | 28 |
| Argile | 42 | 32 |
Il est intéressant de noter qu'un loam sableux et argileux peut avoir un indice d'humidité relative de 32 % à la capacité du champ (ce qui correspond à un sol bien hydraté), alors que pour un sol argileux, un indice de 32 % correspond à un point de flétrissement permanent. Cela signifie que vous devez prélever un échantillon de sol lorsque vous installez des capteurs afin de vous assurer que vous connaissez la texture de votre sol et ce qui s'y passe. Ceci est particulièrement important lorsqu'il y a des changements dans le type de sol : soit des changements dans le profil du sol, soit une variabilité spatiale d'un site à l'autre. Notez que le potentiel hydrique ne change pas en fonction de la situation. Pour tous ces types de sol, -33 kPa reste -33 kPa, qu'il s'agisse d'argile ou de sable. Si vous considérez un sol limoneux comme un sol de texture moyenne, sa teneur en eau à -33 kPa est de 27% et sa teneur en eau à -1500 kPa est de 13%. À une densité apparente typique, l'espace poreux total est d'environ 50 %. S'il était rempli, le sol serait saturé. Ainsi, à partir de la saturation (en supposant que la capacité au champ est de -33 kPa), la moitié de l'eau doit s'écouler pour atteindre la capacité au champ. Environ la moitié de l'eau restante est de l'eau disponible pour la plante. Une fois que la plante a extrait toute l'eau qu'elle pouvait, il reste dans le sol une quantité d'eau approximativement égale à l'eau disponible pour la plante, mais qui ne peut pas être éliminée par la plante.
Le PARIO est un instrument qui détermine automatiquement le type de sol et la distribution granulométrique de n'importe quel sol.
Il existe une relation entre le potentiel hydrique et la teneur en eau volumétrique qui peut être illustrée à l'aide d'une courbe de rétention d'eau du sol (parfois appelée courbe de restitution de l'humidité ou courbe caractéristique de l'eau du sol). La figure 10 montre des exemples de courbes pour trois sols différents. L'axe des x représente le potentiel hydrique sur une échelle logarithmique et l'axe des y la teneur en eau volumétrique. Les courbes de rétention d'eau du sol sont comme des empreintes digitales physiques, uniques pour chaque sol. En effet, la relation entre le potentiel hydrique et la teneur en eau du sol est différente pour chaque sol. Grâce à cette relation, vous pouvez déterminer le comportement de différents sols à n'importe quel endroit de la courbe. Vous pouvez répondre à des questions cruciales telles que : l'eau s'écoulera-t-elle rapidement à travers le sol ou sera-t-elle retenue dans la zone racinaire ? Les courbes de rétention d'eau du sol sont des outils puissants utilisés pour prévoir l'absorption d'eau par les plantes, le drainage en profondeur, le ruissellement, etc. Pour en savoir plus sur le fonctionnement de ces courbes, cliquez ici ou regardez Soil Moisture 201.
Le HYPROP est un instrument qui génère automatiquement des courbes de rétention d'eau du sol dans la plage humide. Vous pouvez créer des courbes de rétention sur toute la plage d'humidité du sol en combinant le HYPROP et le WP4C.
Avant de vous lancer dans une campagne de mesure de l'humidité du sol, posez-vous les questions suivantes :
Si vous souhaitez uniquement connaître la quantité d'eau stockée dans le sol, vous devez vous concentrer sur la teneur en eau du sol. Si vous voulez savoir où l'eau va se déplacer, le potentiel hydrique est la bonne mesure. Pour savoir si vos plantes peuvent obtenir de l'eau, vous devez mesurer le potentiel hydrique. Pour en savoir plus, consultez l'article : "Pourquoi l'humidité du sol ne peut pas vous dire tout ce que vous devez savoir". Cependant, si vous voulez savoir quand arroser ou quelle quantité d'eau est stockée dans le sol pour vos plantes, vous aurez probablement besoin à la fois de la teneur en eau et du potentiel hydrique. En effet, vous devez savoir quelle quantité d'eau se trouve physiquement dans le sol et vous devez savoir à quel moment vos plantes ne pourront plus l'obtenir. Pour en savoir plus, consultez l'article : "Quand arroser : les doubles mesures résolvent le mystère".
Dans ce webinaire de 20 minutes, le Dr Colin Campbell démystifie les différences entre les méthodes de mesure de la teneur en eau du sol ( ). Il explore la théorie scientifique de la mesure et les avantages et inconvénients de chaque méthode. Il explique également quelle technologie peut s'appliquer à différents types de recherche sur le terrain et pourquoi la détection moderne ne se limite pas au capteur.
Apprenez :
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.(Lien vers le livre)
Plongez dans l'apprentissage de l'humidité du sol. Dans le webinaire ci-dessous, le Dr Colin Campbell explique comment interpréter des données surprenantes et problématiques sur l'humidité du sol. Il explique également ce à quoi il faut s'attendre en fonction du sol, du site et de l'environnement.
Nous avons développé cet article pour en faire un guide complet. Apprenez 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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