Un test de texture du sol ou une analyse de la taille des grains du sol (également appelée analyse de la texture du sol ou analyse de la taille des particules) est ce que les chercheurs utilisent pour analyser la fraction minérale d'un sol. Une mesure précise de la texture du sol est essentielle pour comprendre la rétention d'eau du sol, la conductivité hydraulique, le lessivage de l'eau du sol, le potentiel d'érosion, le stockage des nutriments dans le sol, la dynamique de la matière organique, la capacité de séquestration du carbone et bien d'autres choses encore.
La texture du sol ou la taille des grains est une propriété physique fondamentale du sol, et la distribution de la taille des grains ou des particules d'un sol peut aller de la taille des pierres et des roches jusqu'à celle des argiles submicroniques. En règle générale, lorsque l'on étudie la granulométrie et la texture du sol, les particules de sol sont inférieures à 2000 microns. Ces particules de sol sont généralement divisées en trois catégories : le sable, le limon et l'argile. Le triangle de texture du sol (figure 2), reconnaissable pour ceux qui connaissent le système de classification de l'USDA, est un bon exemple de cette division. Ce triangle prend la taille des particules solides et les décompose en différentes fractions de sable, de limon et d'argile.
Lorsque vous choisissez une méthode d'analyse de la taille des grains pour créer une courbe de distribution de la taille des grains, il est important de comprendre comment les scientifiques effectuaient traditionnellement ces analyses et comment la mesure a évolué au fil du temps.
Pendant de nombreuses années, les chercheurs et les cultivateurs ont texturé le sol à la main, en utilisant des rubans et en vérifiant la grossièreté avec les mains. Bien que cette méthode soit toujours utile pour caractériser les sols sur le terrain, elle est subjective et sujette à l'erreur. Il s'agit d'un outil qualitatif permettant une caractérisation rapide, mais nous disposons aujourd'hui de méthodes plus précises.
L'une des méthodes permettant d'obtenir des mesures précises de la taille des grains est l'analyse granulométrique à l'aide de tamis conformes à la norme ASTM (parfois, d'autres systèmes de classification avec des normes différentes pour la taille des tamis sont utilisés). Dans cette méthode, la taille des particules du sol est mesurée lorsque le sol passe à travers des tamis pour capturer les différentes gammes de taille. En règle générale, cette méthode convient mieux aux fractions les plus grossières du sol.
Lorsque l'on cherche à caractériser ce qui est inférieur à 2000 microns ou deux millimètres, les méthodes de sédimentation basées sur la loi de Stokes sont plus efficaces(Gee et al, 2002). Les plus courantes sont les méthodes de l'hydromètre et de la pipette(Gee et al, 2002). Les progrès technologiques ont également permis d'introduire de nouvelles méthodes optiques, telles que l'atténuation des rayons X, la diffraction laser et la spectroscopie VisNIR. Cet article et la vidéo ci-dessous se concentrent sur la comparaison des principes fondamentaux et de la théorie scientifique qui sous-tendent les méthodes les plus couramment utilisées : la sédimentation et la diffraction laser.
Comme nous l'avons mentionné, les particules de sol ont une large gamme de tailles variables, allant des pierres et des roches (dont la taille dépasse généralement 0,25 mètre) jusqu'aux argiles microniques (dont la taille est généralement inférieure à un micron), comme le montre la figure 5. Nous nous concentrons ici sur les mesures de particules inférieures à 2 mm ou 2000 um, mais tous ces composants (ou fractions de taille) font partie de leurs classifications et doivent être pris en compte. Ainsi, lorsque vous essayez de caractériser les sols, vous devez prendre en compte toutes les fractions plus grandes qui peuvent être présentes.
La figure 5 illustre les différents systèmes de classification par taille et par sol, tels que l'USDA et le système unifié de classification des sols, tous deux généralement utilisés aux États-Unis. Le système que vous utilisez peut changer en fonction de votre cas d'utilisation et de votre situation géographique (par exemple, il existe également une norme allemande pour la classification des sols). Le système de classification de l'USDA est utilisé à des fins agricoles et environnementales, tandis que le système unifié est principalement utilisé pour l'ingénierie. Il est également important de comprendre ce qui est nécessaire lorsque vous communiquez vos résultats. Le type de système de classification que vous choisirez dépendra du destinataire et de l'utilisation qui sera faite des résultats.
La manière dont les données seront présentées est également un élément important à prendre en compte. Il existe de nombreuses façons de présenter les données d'analyse granulométrique. L'une des plus courantes est la courbe de distribution cumulative de la taille des particules (ou courbe de distribution de la taille des grains). Une courbe de distribution granulométrique, comme celle de la figure 6, montre différentes textures de sol et leur distribution cumulative en fonction du diamètre des particules.
Les données d'analyse granulométrique peuvent également être présentées sous la forme d'un pourcentage basé sur la masse des différentes classes granulométriques. En d'autres termes, vous pouvez indiquer les classes de taille en pourcentage d'argile, pourcentage de sable et pourcentage de limon. Une façon encore plus simple de classer un sol est de le rapporter en tant que texture de sol.
La méthode de rapport que vous choisissez dépend du niveau de détail dont vous avez besoin. Une courbe de distribution cumulative de la taille des particules (figure 6) fournit les informations les plus détaillées, mais les données des courbes de distribution ne sont pas toujours faciles à interpréter. Par conséquent, en fonction de votre cas d'utilisation, vous pouvez décider d'utiliser une méthode plus simple.
La façon dont le sol est traité lors de son prétraitement est un processus important car il peut avoir un impact sur la précision de vos données. De nombreux chercheurs se réfèrent au livre Methods of Soil Analysis, Part 4 : Physical Methods (Méthodes d'analyse des sols, partie 4 : méthodes physiques) pour une méthode fiable de préparation des échantillons. Mais il existe d'autres méthodes de prétraitement, y compris la méthode ASTM et différentes méthodes dans les normes internationales.
Pour toutes les méthodes de mesure, le sol subit une préparation initiale identique. Les particules de sable, de limon et d'argile sont séparées pour être analysées individuellement. La matière organique, l'oxyde de fer et le carbone organique peuvent également être éliminés (s'ils sont présents en quantités importantes) parce qu'ils peuvent interférer avec la mesure.
Certaines des méthodes les plus couramment utilisées sont basées sur la sédimentation et la loi de Stokes. L'analyse de la sédimentation repose sur la relation qui existe entre la vitesse de sédimentation et le diamètre des particules. Les particules sont mises en suspension dans une solution aqueuse et, au fil du temps, elles tombent ou se déposent à des vitesses différentes en fonction de leur taille (figure 7).
Cette relation a été définie pour la première fois en 1851 par George Gabriel Stokes, un physicien irlando-anglais de l'université de Cambridge qui a élaboré ce qui est aujourd'hui connu sous le nom de loi de Stokes.
La loi de Stokes et les méthodes basées sur la sédimentation reposent sur certaines hypothèses de base. Ces hypothèses sont les suivantes :
Ces hypothèses ne sont pas parfaites, mais même en tenant compte des problèmes potentiels liés à ces hypothèses, les méthodes de sédimentation sont bien établies et ont été testées de manière approfondie avec des résultats précis. Comprendre cela vous aidera à choisir entre différentes méthodes de mesure.
Les deux méthodes les plus couramment utilisées pour mesurer la sédimentation sont l'hydromètre et la méthode de la pipette. Une troisième méthode, la pression de suspension intégrale, est une avancée des méthodes de sédimentation, basée sur ce que nous avons appris au fil du temps.Il existe quelques différences notables entre les méthodes, car chacune mesure une zone spécifique à l'intérieur du cylindre. Ces différences sont abordées ci-dessous dans le cadre de l'étude de chaque méthode, de sa précision et de ce que l'on attend de cette mesure.
La méthode de l'hydromètre repose sur les principes fondamentaux de la loi de Stokes. Une solution aqueuse de sol est mise en suspension, mise de côté et laissée à décanter pendant une période donnée. En général, la mesure dure 24 heures si l'on essaie de quantifier des argiles de deux microns. Pendant cette période, l'hydromètre (figure 9) est utilisé pour mesurer le changement de densité de la solution lorsque les particules commencent à se déposer. Il existe une relation entre ce changement de densité (ou la profondeur de décantation de l'hydromètre) et les différentes tailles de particules encore en suspension.
Afin d'effectuer une mesure précise, la fraction de sable doit être séparée et quantifiée au préalable à l'aide d'une analyse par tamisage. Cette étape est essentielle pour obtenir une estimation précise de la fraction d'argile avec la méthode de l'hydromètre. Les particules de sable sont si grosses qu'elles se déposent trop rapidement, ce qui rend difficile l'obtention d'une mesure précise. Il s'agit d'un problème commun à presque toutes les méthodes basées sur la sédimentation. Enfin, cette méthode nécessite un cylindre de contrôle "à blanc". Dans presque tous les tests, de l'hexamétaphosphate de sodium (un dispersant chimique) est ajouté dans le cylindre de sédimentation et modifie la densité de l'eau. Le cylindre vide agit comme un contrôle, corrigeant les effets de la température et de la dispersion dus à l'hexamétaphosphate de sodium.
Enfin, cette méthode nécessite un cylindre de contrôle "à blanc". Dans presque tous les tests, de l'hexamétaphosphate de sodium (un dispersant chimique) est ajouté dans le cylindre de sédimentation et modifie la densité de l'eau. Le cylindre vide agit comme un contrôle, corrigeant les effets de la température et de la dispersion dus à l'hexamétaphosphate de sodium.
Avantages de la méthode de l'hydromètre : Malgré les difficultés, la méthode de l'aréomètre est peu coûteuse et sa précision est de l'ordre de +/- 3 %.
Les inconvénients de la méthode de l'hydromètre: Comme la plupart des méthodes de sédimentation, l'hydromètre présente des difficultés. La méthode de l'hydromètre prend beaucoup de temps et nécessite une attention constante à des intervalles de temps fixes, parfois pas au meilleur moment de la journée ou au milieu de la nuit. En outre, tout est réalisé manuellement, ce qui peut entraîner des erreurs.
Défi 1: La méthode de l'aréomètre est une mesure manuelle. Les mesures manuelles sont toujours sujettes à des erreurs car elles reposent sur une lecture précise de l'hydromètre, tout en gardant un œil attentif sur les bouteilles pendant de longues périodes.
Défi 2: La perturbation du processus de sédimentation causée par l'insertion de l'hydromètre dans les cylindres peut être une source d'erreur. Cette approche peut donner lieu à de nombreux problèmes, d'autant plus que cette méthode nécessite des temps de mesure fixes. Pour utiliser correctement cette procédure, les mesures doivent être effectuées à des intervalles spécifiques en fonction des points de votre courbe de distribution granulométrique, que ce soit 30 secondes, une minute, quatre minutes ou des intervalles de 12 heures.
Défi 3: la lecture redoutée des 24 heures. Il arrive souvent que vous commenciez une mesure le vendredi et que vous deviez revenir le samedi pour la mesure de 24 heures.
En général, lorsqu'il s'agit de méthodes de sédimentation pour l'analyse de la taille des grains ou de la texture du sol, la méthode de la pipette est l'étalon-or. Elle permet une mesure plus précise et, selon votre approche, peut tenir compte des argiles plus fines mieux que la méthode de l'hydromètre.
Comme pour la méthode de l'hydromètre, la fraction de sable doit encore être séparée au préalable et quantifiée séparément à l'aide d'une analyse granulométrique. Toutefois, contrairement à l'hydromètre, la pipette prélève des échantillons directs dans une zone d'échantillonnage plus petite. Après la mise en suspension des échantillons à l'aide de la loi de Stokes, de petits sous-échantillons sont prélevés à intervalles réguliers et séchés dans un four. Les échantillons séchés sont ensuite pesés. Chaque poids représente les différentes tailles de particules présentes dans la zone d'échantillonnage pendant cette période. Par exemple, une mesure peut correspondre à une taille de deux microns, une autre à une taille de cinq microns et une autre à une taille de 20 microns.
Les avantages de la méthode de la pipette sont les suivants :
Les inconvénients de la méthode de la pipette sont similaires à ceux de la méthode de l'aéromètre :
Enfin, malgré la plus grande précision de la courbe de distribution de la taille des particules, celle-ci reste à + 3 %.
La méthode de la pression de suspension intégrale ou ISP suit les mêmes principes que les autres méthodes de sédimentation basées sur la loi de Stokes. Contrairement aux méthodes traditionnelles, la méthode ISP utilise un transducteur de pression de haute précision pour mesurer le changement de densité dans la solution lorsque les particules se déposent (figure 12).
Les méthodes de suspension intégrale (méthode ISP et méthode ISP+) produisent automatiquement une courbe complète de distribution granulométrique. La figure 15 montre un exemple de cette courbe.
La figure 13 montre à quoi ressemble la mesure réelle de la pression. L'échelle de ce graphique est mesurée en Pascals de pression, une échelle très petite (ou mesure de basse pression). Pour ce faire, il faut un capteur de pression précis et exact.
La figure 14 montre comment cette mesure génère une courbe de distribution cumulative de la taille des particules. Ce processus complet est décrit dans un article révisé par des pairs sur la méthode de la pression de suspension intégrale (ISP+) par le Dr Wolfgang Durner (Durner et. al, 2017).
Inconvénients: si l'approche ISP présente des avantages évidents (automatisée, détaillée et courbe complète de distribution de la taille des particules), elle pose également des problèmes importants.
Ces problèmes ont motivé la recherche d'une amélioration de la méthodologie ISP qui soit pratique et n'affecte pas l'aspect pratique général de la mesure. Cela a conduit au développement de la méthode ISP+, une extension d'un protocole ISP expérimental.
Dans la méthode ISP+, après un certain temps, une partie de la suspension est évacuée du cylindre de sédimentation par une sortie située sur le côté à une profondeur spécifique. Cette suspension est recueillie dans un bécher et séchée au four (voir figure 16). La solution drainée est composée de toutes les particules les plus fines restées en suspension. L'endroit où le sous-échantillon est drainé et le moment où la solution est drainée peuvent modifier les particules encore en suspension. Ceci, combiné aux mesures du capteur de pression, entraîne la chute soudaine illustrée dans le graphique de la figure 13.
Un exemple serait de prendre une mesure après deux heures, puis de drainer cette solution à partir d'une sortie située à six centimètres. La taille maximale des particules à cette profondeur sera de 2,8 microns. Nous pouvons alors utiliser cette mesure pour quantifier ce qui reste dans la solution restante et resserrer notre fenêtre d'analyse. Il en résulte que la méthode ISP+ est limitée de deux côtés. La plage de sable est limitée par les données des tamis externes et la plage d'argile est limitée par le drainage. Cela resserre le calcul sur la fraction d'argile, faisant de la méthode ISP+ une méthode plus robuste, plus précise et plus fiable.
Un autre avantage clé de la méthode ISP+ est la réduction du temps de mesure de 8 à 12 heures à seulement 2,5 heures. En outre, la méthode ISP+ ne permet pas seulement une amélioration significative du temps de mesure (grâce à l'automatisation), mais aussi une amélioration considérable de la précision globale de la mesure. La précision passe de + 3 % (méthode ISP, pipette et hydromètre) à + 0,5 %.
Le PARIO (figure 18), fabriqué par METER, est un exemple d'instrument d'analyse granulométrique qui automatise la méthode ISP+ pour déterminer la texture du sol.
Les méthodes optiques les plus couramment utilisées aujourd'hui sont l'atténuation des rayons X, la diffusion de la lumière laser à partir de mesures de diffraction et la spectroscopie infrarouge VisNIR. La spectroscopie VisNIR est une méthode prometteuse qui permet de quantifier avec précision la taille des particules du sol, notamment en ce qui concerne la fraction d'argile. Cependant, nous nous concentrerons principalement sur la diffusion de la lumière par laser, car c'est la méthode la plus couramment utilisée.
La méthode de diffraction laser repose sur le principe selon lequel les particules d'une taille donnée diffractent la lumière selon un certain angle. Plus la taille des particules diminue, plus l'angle de diffraction de la lumière augmente. Cela signifie que les particules plus petites, comme l'argile, diffracteront la lumière à un angle plus grand que les particules plus grandes, comme les sables ou les limons.
Le schéma de la figure 20 illustre la conception d'un analyseur laser de la taille des particules. Un faisceau parallèle de lumière monochromatique est émis par l'appareil et traverse une suspension d'échantillons similaire à celle utilisée pour toutes les autres méthodes. La lumière diffractée est ensuite focalisée sur un détecteur à anneau photosensible. L'intensité mesurée au niveau du détecteur est fonction de l'angle utilisé pour estimer la distribution de la taille des particules. Cette méthode est basée sur ce que l'on appelle la théorie MIE(Gee et al 2002).
La plage de mesure des méthodes de diffraction laser s'étend de 0,04 à 2000 microns. Cela dépend de l'appareil et du volume de mesure limité, car le faisceau laser n'a qu'une largeur de 10 à 25 millimètres.
Inconvénients : comme pour les autres méthodes, la diffraction laser pose des problèmes.
Pour : Le diffractomètre laser, ou méthode de diffraction laser, présente toutefois un avantage : il permet d'analyser plus d'échantillons à la fois et d'obtenir des mesures plus rapidement. En outre, les mesures ne prennent pas des heures. Par conséquent, si vous avez besoin d'un débit élevé pour vos mesures, cette approche peut être une bonne méthode à utiliser, en fonction de la précision relative requise.
Cela dépend. Vous devez examiner vos objectifs de recherche, définir l'usage qui sera fait des mesures, puis peser les avantages et les inconvénients des méthodes susmentionnées. N'oubliez pas que la précision de l'analyse de la texture du sol et de la courbe de distribution de la taille des grains dépend des méthodes et des outils que vous utilisez.
Par exemple : La méthode PARIO (méthode ISP+) est une bonne méthode pour les personnes qui cherchent à minimiser le temps et le travail nécessaires pour effectuer une analyse granulométrique, car elle réduit le travail tout en améliorant la précision par rapport à d'autres méthodes basées sur la sédimentation.
Il est important de comprendre que, quelle que soit la méthode choisie, vous devrez prétraiter les échantillons et tamiser la fraction de sable. En résumé, comprendre les avantages et les inconvénients de chaque méthode et définir le résultat souhaité peut vous aider à décider laquelle sera la plus efficace.
Dane, Jacob H., et Clarke G. Topp, eds. Méthodes d'analyse des sols, Partie 4 : Méthodes physiques. Vol. 20. John Wiley & Sons, 2020. Lien vers l'article.
Durner, Wolfgang, Sascha C. Iden et Georg von Unold. "La méthode de pression de suspension intégrale (ISP) pour une analyse granulométrique précise par sédimentation gravitationnelle". Water Resources Research 53, no 1 (2017) : 33-48. Lien de l'article.
Gee, G.W. et Or, D. (2002). 2.4 Analyse de la taille des particules. Dans Methods of Soil Analysis (eds J.H. Dane et G. Clarke Topp). Lien vers l'article.
McKeague, J. A., et Peter C. Stobbe. "Histoire de l'étude du sol au Canada 1914-1975". (1978). Lien vers l'article.
Syvitski, James PM, ed. Principes, méthodes et application de l'analyse granulométrique. Vol. 388. Cambridge : Cambridge University Press, 1991. Lien vers le livre.
Yong, Raymond Nen, et Benno P. Warkentin. Introduction au comportement des sols. No. 451 pp. 1966. Lien vers l'article.
certains. Merci beaucoup !
Nos scientifiques ont des dizaines d'années d'expérience pour aider les chercheurs et les cultivateurs à mesurer le continuum sol-plante-atmosphère.
Parmi les milliers de publications évaluées par des pairs et utilisant les capteurs de sol METER, aucun type n'émerge comme étant le préféré. Le choix du capteur doit donc être basé sur vos besoins et votre application. Les considérations suivantes vous aideront à identifier le capteur idéal pour votre recherche.
TEROS sont plus durables, plus précis, plus faciles et plus rapides à installer, plus cohérents et reliés à un système puissant et intuitif d'enregistrement et de visualisation des données en temps quasi réel.
Vous attendez encore une semaine pour du papier filtre ? Obtenez la bonne réponse en quelques minutes.
Recevez régulièrement le contenu le plus récent.