Pédologie 17

1.5 Le sol et l'eau 

 

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L'économie en eau des sols apparaît, avec la structure,comme le facteur écologique de loin le plus important parmi tous ceux qui règlent la fertilité des sols.

I.5.1 )Rappelons l'importance considérable de l'eau dans les sol.

- Altération chimique des minéraux

- Apparition d'un complexe complexe colloïdal.

- Phénomène de pédogenèse ( migrations ).

- Génératrice des solutions nutritives.

- Constituant des tissus végétaux, environ 300 fois le poids de matière sèche.

L'alimentation des végétaux en eau dépend de :

- La quantité d'eau météorique infiltrée = les précipitations moins l'évapotranspiration.

- La quantité d'eau emmagasinée sur une épaisseur utile ( racines ).

- L'importance de la fraction effectivement utilisable par les végétaux ( eau utile). 

Sort de l'eau de pluie , la quantité d'eau pénétrant dans le sol dépend :

- du climat ( hauteur et réparttion des précipitations ). 

- des pertes par évaporation directe

- du ruissellement en surface ( selon la pente, la texture, la structure,la perméabilité...).

I.5.2 Formes de l'eau dans le sol ( Pédologie : " Sol, végétation et Environnement " Duchaufour, MASSON - Abrégés- 1995)===========================

I.5.2.1 Les sources principales de l'eau dans le sol sont d'une part l'eau de précipitation et aussi dans certaines stations l'eau souterraine ( nappe phréatique permanente alimentée souterainement ).

Les pluies qui tombent à la surface du sol se répartissent en diverses fractions donnat ainsi les formes d'eu suivantes:

  - L'eau de ruissellement, superficielle ou " hypodermique" , lorsqu'elle circule au sein des horizons supérieurs , parallèlement à la surface ( cette seconde forme est l'agent de l'appauvrissement , entraînement latéral des particules les plus fines , limons et argiles ); le ruissellement n'est pas constant et n'affecte que les surfeces en pente ( même faible ), soumises à des pluies violentes.

- L'eau de gravité, entraînée par la pesanteur, circule dans les pores grossiers et moyens ( supérieurs à 10 μ ) , le plus souvent verticalement, parfois aussi obliquement , s'il y a une pente et que la perméabilité diminue dans les horizons profonds ( c'est alors l'agent du lessivage oblique ).  

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L'eau de gravité à écoulement vertical se subdivise en deux parties :

1° L'eau de gravité à écoulement rapide qui circule dans les pores grossiers (> 50 μ ), dans les quelques heures qui suivent les pluies ;

2° L'eau de gravité à écoulement lent qui descend lentement ( souvent plusieurs semaines ) dans les pores moyens de diamètre compris entre 50 et 10 μ  .

L'ensemble des eaux de gravité alimente le drainage profond, si le sol est perméable.

Lorsque la pente est très faible ou nulle et que la perméabilité des horizons profonds décroît , au point de ne plus permettre l'évacuation des eaux de gravité , l'ensemble des pores du sol, fins, moyens et grossiers est occupé par de l'eau, dont une partie est libre et peut circuler, dans certains cas, latéralement très lentement : il se forme une nappe superficielle qui ne subsiste que pendant les périodes pluvieuses. En saison sèche, elle s'épuise par évaporation - et par drainage profond très lent : c'est une nappe perchée temporaire.  

 

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 - L'eau retenue par le sol au cours de l'infiltration des pluies  occupe les pores fins et très fins ( dans des pores de diamètre < 10 μ environ ) : les forces capillaires et d'absorption sont suffisamment élevées pour s'opposer aux forces de gravité . L'eau retenue se subdivise en deux parties :

1°  l'eau capillaire absorbable par les racines  qui occupe des pores fins ou forme des "ménisques" ( voir cours de physique : capillarité, loi de Jurin, etc...) entre les particules solides ;

2° L'eau liée (appellée aussi eau d'absorption) qui forme une pellicule à la surface des particules du sol ( pores très fins de diamètres < 0,2 μ ), et qui, retenue très énergiquement , n'est pas absorbable par les racines .

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I.5.2.2 Précisions et termes équivalents

1) 'eau d'absorption ou liée, au sens restreint, est aussi appelée eau hygroscopique, cette eau ne peut être expulsée qu'à 105 °C, la teneur en eau hygroscopique est fonction de l'humidité de l'air . Le pouvoir de rétention du sol vis à vis de l'atmosphère  est en relation avec la teneur en colloïdes et en ions monovalents ( surtout Na+).

D'après J.LOZET voiçi des chiffres d'eau hygroscopique :

sable : eau hygroscopique : +/-  1%

limon : eau hygroscopique : +/- 3%

argile : eau hygroscopique : +/- 25%

2) L'eau "capillaire ou liée "au sens large ( ne pas confondre avec l'au liée = hygroscopiques'adresse à des pores inférieurs à 10 μ, elle comprend plusieurs formes :

- L'eau de gonflement des colloïdes : entoure les fines particules colloïdales et pénètre partiellement dans les particules d'argile pour les faire gonfler  ( d'un volume qui varie selon les argiles ). Eau très peu utilisable par les végétaux.

- Eau pendulaire : emprisonnée aux angles de contact entre les particules solides . Eau peu utilisable par les végétaux .

- Eau pelliculaire : eau qui se maintient par capillarité ( tension superficielle) autour des particules solides ( ce n'est pas l'eau liée au sens restreint ou eau d'absorbtion ou hygroscopique  retenue par attraction électrostatique ). Elle est en grande partie utilisable.

- L'eau capillaire proprement dite est l'eau présente dans des pores allongés.

a) non absorbable , pores de diamètre inférieur à 0,2μ 

b) absorbable, pores  de diamètre compris entre 0,2 et 10 μ

3) L'eau de gravitation correspond à la porosité non capillaire. Elle est transitoire dans le sol.

4) L'eau des nappes aquifères est très utilisable si elle est suffisamment aérée, elle est surmontée d'une nappe capillaire soutenue

REMARQUES :

a) L'état de saturation du sol est atteint lorsque l'eau de gravité n'arrive plus à s'infiltrer : elle s'accumule et devient une eau de nappe.

b) Il faut distinguer içi les nappes phréatiques permanentes ( du Grec phréas = puit ) dont le niveau supérieur varie plus ou moins selon les saisons , des nappes d'eau temporaires  ou " perchées " , dont l'eau  existe en surface et s'y accumule , mais manque en profondeur . (Drainage trop lent des eaux de gravité ).Les premières correspondent aux gley réduits, les secondes aux Pseudogleys.

5) L'eau vapeur : La quantité d'eau de vapeur dans le sol est réglée par un équilibre physique, selon les saisons ; L'été : accumulation d'eau vapeur vers les parties froides, donc vers le bas - L'hiver : accumulation vers le haut. D'où les sols manifestent, en hiver, une humidité plus grande que ne le permettraient les précipitations.

 Au niveau des termes utilisés, nous conclurons que leur sens diffère selon le contexte, que parfois ils se recouvrent partiellement ou sont équivalents. Il est dès lors utile de simplifier de la manière suivante en les ramenant à trois états principaux :

- l'eau de gravité ou de saturation

- L'eau utilisable par les plantes, dont la majeure partie est l'eau capillaire absorbable qui constitue la source essentielle de l'alimentation en eau durant les périodes sèches.

- L'eau inutilisable par les plantes , retenue trop énergiquement par le sol.

I.5.3 Méthodes de mesure des teneurs en eau

1) Humidité actuelle

Sa mesure se fait au laboratoire par exemple par mise à l'étuve à 105 °C. d'un échantillon de 5 gr.de terre jusqu'à obtention d'un poids constant. Cetee mesure intervient dans le calcul des résultats de dosage au laboratoire, mais elle est sans intérêt au point de vue agronomique , car elle n'informe pas sur la quantité d'eau disponible pour les plantes.

2) La capacité de rétention

On distingue içi :

- La capacité de rétention maximum qui est la quantité d'eau nécessaire pour saturer complètement une terre, y compris les macropores du sol  ( porosité non capillaire ). 

- La capacité au champs correspondant à la quantité d'eau retenue par le sol en place après période conventionnelle de ressuyage, variable selon les sols ( teneur en argile ) ; elle est la somme de   : - l'eau de gravitation à écoulement lent - l'eau liquide liée -l'eau hygroscopique: il s'agit de du taux d'humidité d’un sol ressuyé dans des conditions où le drainage est assuré librement.

- La capacité minimum pour l'eau ou pouvoir rétentif . C'est la quantité  retenue sur place et que la terre empêche de filtrer . C'est donc l'eau hygroscopique + l'eau liquide liée. Se mesure en général au laboratoire en égouttant un échantillon humecté complètement  : il contient encore l'eau liquide liée plus l'eau hygroscopique ( on peut aussi l'effectuer sur le terrain après forte pluie ).

3) L'humidité équivalentecorrespond  à la quantité d'eau retenue par le sol soumis à une force centrifuge de 1000 gr ou encore à l'action d'une succion ( trompe à eau ) d'un tiers d'atmosphère. Cette méthode donne des résultats voisin du pouvoir rétentif en étant plus rapide. L'humidité équivalente vaut en moyenne 2,7 fois l'eau hygroscopique.

4) Le point de flétrissement est la quantité d'eau du sol au moment où la plante commence à se faner. Il correspond à la limite inférieure de l'eau capillaire absorbable par les racines.   

La quantité d'eau au point de flétrissement est, en première approximation, indépendante de la plante

Voilà, cependant l'exemple suivant :

- tabac en sol argileux : 8 %

- tabac en sol sableux : 1,5 %

cette quantité d'eau caractérise le type de sol.

Le point de flétrissement varie essentiellement avec la texture et notamment la proportion d'éléments fins du sol: elle est donc plus grande pour des sols argileux que pour des sols à texture grossière ( c'est une quastion de surface totale des particules car l'eau capillaire non absorbable correspond à une pellicule d'eau d'épaisseur déterminée autour des particules).

 Détermination du point de flétrissement :

- Par la méthode biologique, qui consiste à cultiver une plante en pot et à mesurer la teneur en humidité du sol au voisinage des racines lorsque la plante se fane. 

- Par la mesure de l'eau hygroscopique , moyennant certains calculs . En bref , on multiplie l'eau hygroscopique par le coëfficient 1,5

- Par certaines méthodes de laboratoire : ( presse à membrane ) , permettant la mesure du potentiel capillaire, voir ci dessous .

Quelques chiffres de pont de flétrissement permanent :

 - sable : 2 à 5 %

- limon : 8 à 10 %

- sol limono-argileux : 13%

- sol tourbeux : 35 %

- Tourbe : 50 %

 On voit que le point de flétrissement croît avec la teneur en colloïdes. Dans les horizons humifères des sols organiques, ,il peut exister d'importantes réserves d'eau en saison sèche , mais cette eau est peu disponible pour les plantes . Ces sols sont dits "physiologiquement secs  "  

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 I.5.4 Potentiel capillaire *

C'est l'énergie de rétention du sol ( due aux actions capillaires , aux effets d'adhésion, de pression en coin, pression osmotique , etc...) vis à vis de l'eau.

C'est aussi, si l'on suit le raisonnement inverse, l'énergie nécessaire à la plante pour extraire l'eau du sol en vue de ses besoins nutritifs.

Plus le sol est humide, moins la succion est élevée parceque l'eau est moins retenue par le sol. 

au contraire, plus le sol se dessèche, moins la succion augmente.    L'énrgie de rétention de l'eau peut s'exprimer par une pression en grammes /cmou en atmosphères ( 1 atm = 1033gr/cm2), ou en cm de hauteur d'eau, mais plus commodément encore, par le logarithme décimal de cette pression en cm d'eau , que l'on appelle pF

pF = log Ψ (psi) = log du potentiel capillaire.

Exemple, soit une force de 1000 gr/cm2 ( à peu près une atmosphère ) on écrira pF = 3 ( log décimal de 1000 = 3 ).

Le potentiel peut s’exprimer physiquement de plusieurs facons :

1.      Energie par unité de surface (ergs/g ou joules/kg)

2.      Energie par unité de surface = pression (dynes/cm², Pa, bars ou atm)

3.      Energie par unité de poids = charge hydraulique (cm d’eau)

Le terme de succion est souvent employé pour désigner le potentiel matriciel. La force de succion du sol pour l’eau a la dimension d'une pression et s’exprime par le symbole pF ou h :

1 bar : 100 kPa : 103 cm d’eau : pF 3

pF2 = 102 cm d’eau

Teneur en eau : on peut l’exprimer de 2 façons :

1.      référence massique : g d’eau par g de matière sèche (W en g.g-1)

2.       référence volumique, en cm3 d’eau/cm3 de matière sèche (q)

Courbe de rétention en eau: Si une pression d’eau inférieure à Patm est appliquée à l’eau dans un sol saturé, l’écoulement n’est possible qu’à partir d’une pression critique pour laquelle le pore le plus grand se vide (une baisse de pression peut donc etre associée à une baisse de qté d’eau dans le sol). Cette pression est appelée « pression d’entrée d’air » ha.

 

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* Duchaufour distingue le potentiel matriciel du potentiel capillaire , ce dernier étant incorporé dans le premier. Nous nous limiterons aux dénominations traditionnelles et ne feront pas la différence entre potentiel matriciel et potentiel capillaire. 

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 Constantes du pF : on constate que les valeurs caractéristiques de l'humidité du sol correspondent à des valeurs constantes du pF ( point de flétrissement, capacité au champs etc....) mais à des taux d'humidités différents.

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Nous voyons que l'eau utile est la fraction de l'eau du sol comprise entre la capacité de rétention ( pF 2,5) et le point de flétrissement ( pF 4,2 ).

COURBES DE pF : POTENTIEL CAPILLAIRE

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 SCHEMA DE L'INFILTRATION DES EAUX EN PROFONDEUR

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 OBSERVATIONS

 1) La teneur en eau du sol pour un pF donné varie énormément selon sa constitution : la texture est l'élément principal comparer les courbes de pFen sols sableux et limono-argileux du schéma précédent  ( en phase d'assèchement ). Interviennent également d'autres composantes  : teneur en matières organiques et oxyhydroxydes ( sesquioxydes ); horizons de structures différentes ( semelle de labour, horizon d'étranglement des racines ).

2) Le degré d'humidité d'un même sol varie , à pF égal suivant que les sol s'assèche ou s'humidifie. Phénomène d'hystérèse : pour une même humidité du sol , le pF est plus élevé si le sol s'assèche ou s'il s'humidifie. Ce qui veut dire que la force de succion nécessaire au départ de l'eau du sol est plus élevée que pour sa pénétration.( la plupart des techniques de  mesures des pFplacent le sol en phase de dessèchement ). 

3) L'humidité au point de flétrissement correspond, à peu, prêt à la moitié de la capacité de rétention, soit un pF de 2,5.

Valeurs des teneurs en eau caractéristiques en fonction des granulométries de sol , schéma graphique selon Hallaire chez Delecour et Soltner

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4) L'humus, contrairement à l'argile, augmente la capacité de rétention sans pour cela élever le point de flétrissement.

5)   L'assèchement des niveaux supérieurs du sol par évaporation ne provoque qu'un très faible déplacement ascendant de l'eau venant des horizons plus profond plus humides.

6) Les arrosages en période sèche n'ont d'effet que s'ils détrempent le sol sur une épaisseur suffisante, intérêt du mulching et du binage .

Complément :

au pF 2,5         les sols sableux  contiennent 5-15% eau                 les sols limoneux 15-30% eau                  les sols argileux 30-45% eau

au pF 4,2                                                             1-3%                                                             5-15%                                                         15-30%

eau utile                                                           4-12%                                                         10-15%                                                      +/- 15%                                 

 Plusieurs méthodes de mesure des pF existent : hygroscopicité, cryoscopie, pression, succion, centrifugation.

I.5.5 Les mouvements de l'eau dans le sol 

L'eau se meut dans le sol  :

- par gravité

- par capillarité

-sous forme de vapeur d'eau  

 A) MOUVEMENTS DE L'EAU PAR GRAVITE

Ces mouvements sont dus à la pesanteur. Ils sont les plus fréquents et dépendent de la perméabilité du sol.

Cette perméabilité s'exprime par la vitesse avec laquelle l'eau s'infiltre dans le sol . Elle est d'autant plus importante que la porosité non capillaire ( macroporosité )est plus importante , c'est le mouvement qui détermine le drainage naturel.

A.1 Facteurs qui influencent les mouvements de l'eau de gravité

A.1.1 Liés au sol : texture et structure

 Les sols perméables correspondent à des textures grossières du sol ( sables, sols caillouteux ), mais aussi les sols à tyexture fine corrigée par une structure en grumeaux stables. Ceci fait ressortir l'importance de la structure  : " Les recherches récentes ont montré clairement l'influence prééminente de la structure par rapport à la texture sur la perméabilité" ( Duchaufour ) 

 Exemples :

- Les sols à structure stable sont en général perméables, à l'opposé des sols à structure "fondue" ou particulaire.

- Les sols à texture mal équilibrée : certains limons "battants", certains sables colmatés avec du limon et certains sols pauvres en matières organiques pêuvent être peu perméables lorsque leur structure est partiellement détruite. 

- Les humus sont plus ou moins perméables selon leur nature ( le mor l'est moins que le mull) et aussi leur degré initial d'humidité. : après une période sèche , la perméabilité des horizons humifères désséchés , mull ou mor , de vient très élevée parce que la matière organique se réhumecte lentement ; c'est l'inverse si ces horizons sont humides au départ  ( gonflement et forte rétention en eau ).

- Les horizons minéraux, s'ils sont imperméables, peuvent saturer le sols en eau et rendre le milieu asphyxiant et réducteur ( phénomène de marmorisation reconnaissable par des mouchetures ). On peut ainsi  distinguer plusieurs cas d'hydromorphie temporaire due à l'imperméabilité : hydromorphie de surface ou hydromorphie de profondeur ( nappe perchée)  

a)Hydromorphie de surface : engorgement des horizons superficiels imperméables (existence des seuls pores fins) ; voir plus loin : vertisols.

b)Hydromorphie de profondeur : sols à deux horizons superposés :

- en surface : texture grossière et ( ou ) structure favorable ( mull ).

- en profondeur : texture argilo-limoneuse ou limoneuse à structure fondue ; porosité non capillaire nulle ; horizon peu perméable de sorte que l'eau de gravité stagne en périodes humides " nappe dite perchée " qui disparaît par évaporation en période sèche , un processus de marmorisation se manifeste de la nappe vers la surface. Les racines des plantes vivant en sols soumis à hydromorphie temporaire sont soumises à des alternances de conditions asphyxiques ( saturation par l'eau ) et desséchantes en période de dessication du profil, c'est pourquoi elles ne pénètrent pas profondément dans les horizons trop compacts.

c) On définit aussi une hydromorphie de nappe permanente ( voir plus loin ).

A.1.2  La topographie

 La topographie ( pente ) détermine un écoulement latéral ou " drainage oblique "

A.1.3 La perméabilité de la roche mère

A  l'exemple des calcaires fissurés opposés aux calcaires marneux non fissurés. Les changements de roche mère peuvent changer les conditions de perméabilité .

A.1.4 Des pluies prolongées.

Ces pluies diminuent la perméabilité : destruction partielle de la structure et gonflement des argiles du type montmorillonite et de certains ciments humiques , c'est évidemment un phénomène moins accentué sur sable et sols légers que sur argiles  

A.1.5 La " semelle  de labour"

Tassement progressif du sous sol ( entre 25 et 35 cm) du au talon de la charrue après multiples labours. Cet horizon finit par constituer un obstacle peu perméable . 


A.2 Répartition des eaux de pluie dans le sol : profils hydriques

L'eau d'infiltration de répartit dans les couches plus ou moins profondes du sol d'une manière qui peut être mise en évidence par les profils hydriques  :

- abscise : % d'humidité actuelle

- ordonnées négatives : profondeur

On constate dans les sols bien structurés , après les pluies, que l'humidité manifeste un taux assez constant jusqu'à une profondeur donnée , à partir de laquelle ce taux décroît brutalement , c'est la limite d'infiltration des pluies

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Ce taux d'abord supérieur à la capacité de rétention s'en rapproche ensuite progressivement , à mesure que le sol se ressuye plus complètement par infiltration de l'eau de gravité à écoulement lent. Il apparaît que pour une même quantité de pluie, la limite de pénétration est plus profonde pour un sol sableux  que pour un sol argileux, puisque la capacité de rétention est plus faible pour le premier. Mais ce premier se ressuye également plus rapidement que le sol argilo-limoneux.  

A.3 Vitesse d'infiltration de l'eau dans le sol 

Le vitesse d'infiltration est régie par la modélisation de Darcy et sa formule (lien). En pratique, l'on admet qu'une pluie donnée humecte une épaisseur de sol d'environ 5 x sa hauteur si la structure est bonne et 2 x seulement si la structure est mauvaise .

NB : La présence de fentes dans le sol , de canaux, de racines mortes, de galeries d'animaux perturbe considérablement le front d'humectation d'un sol sec et le rend localement très différent de ce que l'on pourrait attendre de l'application simple de la théorie. 

B) MOUVEMENTS CAPILLAIRES ASCENDANTS

 Distinguons plusieurs cas :

1) Dessèchement d'un sol nu normalement drainé sans végétation

La perte d'eau en surface provoque un mouvement ascendant par diffusion capillaire , mais ce mouvement ne suffit pas à équilibrer l'humidité des couches superficielles avec celles des couches profondes.

Il faut en outre, rappeler l'hystérèse qui se manifeste dans les couches de pF  : Une couche humide ( profonde ) tend à céder son eau à une couche plus sèche ( superficielle ), mais la première est en phase de déssèchement , tandis que l'autre est en phase d'humidification . Par conséquent à pF égal , la couche humide ( profonde ) rèstera plus humide que la couche sèche sus-jacente ( voir profil hydrique de déssèchement humidification ci-dessus ).

Lorsque la surface du sol a atteint un certain degré de dessèchement , il se forme en surface une couche sèche par arrête de la diffusion capillaire , appelée " self mulching " qui est importante en pratique . Car la couche sèche agit comme un écrant en dessous duquel existe une évaporation très inférieure  à celle qui correspondrait aux conditions climatiques qui règnent en surface.

Ainsi, le " self mulching " présèrve l'humidité des couches profondes au profit des végétaux.  

 Remarque : mulch artificiel

Pour réduire considérablement les pertes par évaporation, on peur superposer au sol un écran protecteur ( paille , sciure, sable, feuilles sèches d'automne ...).

Mais la vitesse de dessèchement intervient. Si l'évaporation en surface dépasse une certaine valeur, il y a formation d'une croûte sèche, parce que le débit ascendant de l'eau est plus faible dans les couches profondes que dans les couches superficielles.

La demande d'eau doit alors être essentiellement satisfaite , d'où dessèchement conduisant à la rupture des films capillaires.

Les pertes d'eau peuvent ainsi être pratiquement stoppée ; elles peuvent être ainsi inférieures à celles qui se manifesteraient lors d'un dessèchement progressif sous l'influence d'une évaporation inférieure. Paradoxalement, le sol nu perd donc moins d'eau et se dessèche moins profondément par évaporation intense et brutale que sous évaporation faible . Dans les climats à faible évaporation, on  peut hâter la formation d'une couche sèche et provoquer un effet semblables à celui d'une évaporation brutale, en rompant la continuité des films capillaires par BINAGE . sol profond et superficiel ne sont ainsi plus en continuité capillaire, l'eau ne remonte plus et ne s'évapore donc plus.

Contrairement à ce que l'on pourrait croire, le binage est plus utile dans les climats relativement humides qu'en régions très chaudes et très sèches , où la croûte sèche se forme très rapidement d'elle-même et ou le seul intérêt du travail superficiel du sol est de lutter contre la végétation adventice. On a montré qu'en zone méditerranéenne le recouvrement du sol par une couche de paille peut avoir pour conséquence de retarder la rupture des films d'eau dans les couches superficielles et conduire à une augmentation des pertes d'eau par rapport au sol nu.

2) Dessèchement d'un sol drainé, couvert de végétation.  

Schéma :

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1° végétation rase ( par ex. graminées ) à enracinnement superficiel : toute la zone occupée par les racines se dessèche jusqu'au point de flétrissement .

2° végétation à enracinement profond  ( par ex. forêt )  et couvrant bien le sol : le sol se dessèche lentement et rpofondément.

En effet, on constate une réduction de l'évaporation du sol et surtout un prélèvement de l'eau transpirée sur une plus grande profondeur . Mais dans les deux cas, le sol se dessèche en dessous de la limite inférieure de l'enracinement selon un processus identique à celui provoqué par une évaporation de surface. 

3) Sols à nappe permanente

Au sein d'une nappe d'eau, le potentiel matriciel est nul puisque l'eau est libre. Mais au dessus du niveau de la nappe , l'eau s'élève par ascension capillaire et forme une frange capillaire.  La teneur en eau diminue au fur et à mesure que l'on s'élève au dessus du niveau de la nappe, et dans le même temps le pF augmente . 

Il est également établi, aussi, que le pF existant dans une frange capillaire correspondant , à pF égal, à une humidité plus faible que dans un sol en voie de dessèchement. ( l'explication est aussi en rapport avec l'hystérèse existant entre horizon en dessèchement et humidification ).

L' observation montre que la remontée capillaire se produit sur une hauteur limitée qui est fonction de la texture

Quelques chiffres indicatifs de remontée capillaire :

- sol argilo-humique : 2m ( max observé )

- sol limoneux : 1m. à 1m20.

- sol graveleux ou sableux : 0,40 m

Des remontées capillaires très différentes peuvent exister en cas de changement de texture, ca qui est assez fréquent dans certaines régions ( textutes superposées ).

Au dessus des limites indiquées ci-dessus, le taux d'humidité décroît rapidement , parce que l'on atteint une zone où le remontée capillaire n'existe plus.

xanthoulis-physique-du-sol.pdf xanthoulis-physique-du-sol.pdf   

 I.5.6  Utilisation de l'eau par les plantes

1.Evapotranspiration

 

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L'évapotranspiration est l'effet combiné de l'évaporation  et de la transpiration. L'évaporation est le passage de l'eau sous forme  liquide sur une surface ou de celle-ci dans l'air, transformée en vapeur  d'eau. La transpiration est le mouvement de l'eau passant des plantes dans l'air.  Pour une culture, l'évapotranspiration est l'eau perdue dans l'air à  partir à la fois de la surface du sol et de celle de la culture.

Le  niveau d'évapotranspiration varie selon divers facteurs. Ces derniers se  divisent en caractéristiques météorologiques et en caractéristiques  de la plante ou de la surface du sol. Parmi les caractéristiques météorologiques  il faut noter la température de l'air, l'intensité lumineuse, le  vent et le degré d'humidité. Les caractéristiques de la surface  comprennent les caractéristiques du sol, des espèces, le couvert  des cultures et leur stade de croissance.

Il faut de l'énergie pour  que l'eau passe de l'état de liquide à celui de vapeur et la plus  grande partie de cette énergie vient directement du soleil. Le rayonnement  solaire direct et la température ambiante de l'air fournissent l'énergie  nécessaire à l'évapotranspiration. Il faut environ 600 calories  d'énergie thermique pour convertir un gramme d'eau liquide en vapeur d'eau.  La quantité d'énergie reçue du soleil compte pour 80 % des  variations dans l'évapotranspiration.

Les facteurs qui touchent  le rayonnement solaire direct affectent aussi le niveau d'évapotranspiration.  La couverture nuageuse influe sur l'évapotranspiration en limitant la quantité  de rayonnement solaire atteignant les cultures ou les sols. Cependant, même  par une journée sans nuages il y a encore des fluctuations quotidiennes  de l'évapotranspiration. Les jours où le temps est dégagé  le niveau d'évapotranspiration augmente rapidement le matin et atteint  généralement son maximum en début ou au milieu de l'après-midi.  La latitude et la saison influent aussi sur le rayonnement solaire direct et l'évapotranspiration.

Le  vent est le deuxième facteur le plus important. Les vents affectent l'évapotranspiration  car ils peuvent transporter l'énergie thermique dans une zone et en retirent  l'humidité vaporisée. Un vent de 8 kilomètres à l'heure  (5 m/h) peut augmenter l'évapotranspiration de 20 % dans l'air calme. Un  vent de 24 kilomètres à l'heure (15 m/h) peut augmenter l'évapotranspiration  de 50 % dans l'air calme (selon Chow, Handbook of Applied Hydrology, 1964, tel  que cité par le Geological Survey américain [USGS]). Un brise-vent  peut grandement réduire l'incidence du vecteur vent à la surface  des terres ou des cultures.

L'évaporation continue d'augmenter à  une vitesse toujours plus grande à mesure que la température se  réchauffe, aussi longtemps qu'il y a de l'eau qui peut s'évaporer.  Les plantes limitent leur transpiration à mesure que la température  monte. La plus grande partie de l'eau que les plantes soutirent est perdue par  la transpiration. La capacité de la plante à mieux retenir l'eau  dépend des caractéristiques de ses racines et de ses feuilles. Les  plantes perdent de l'eau par de petites ouvertures ou pores sur les surfaces de  leurs feuilles, appelées stomates. À des températures élevées  les plantes tentent de retenir le plus d'eau possible. Elles tentent de conserver  leur eau en refermant les stomates pour diminuer la transpiration.

Les  différences dans l'anatomie des feuilles, les caractéristiques des  stomates, les propriétés aérodynamiques et les caractéristiques  de réflectivité peuvent affecter le taux d'évapotranspiration  d'une culture. Les caractéristiques de réflectivité de la  surface du sol peuvent aussi influer sur le taux d'évapotranspiration.  Par exemple, les champs de luzerne ne reflètent qu'environ 25 % de l'énergie  solaire. Le reste de cette énergie solaire est absorbée et contribue  à l'évapotranspiration.

L'évaporation et la transpiration  se produisent simultanément et il n'est pas facile de distinguer les deux  procédés. Il est difficile de mesurer directement l'évapotranspiration  car elle varie suivant l'endroit exact et à quel moment elle est mesurée.  Elle est souvent calculée à partir des données météorologiques,  mais on peut aussi en faire une estimation sur de plus longues périodes  en calculant le bilan hydrique du sol. La méthode Penman- Monteith reste  la plus largement employée pour calculer l'évapotranspiration.

L'évapotranspiration  est souvent indiquée en pouces ou en millimètres d'eau utilisée  par jour.

 http://www.omafra.gov.on.ca/french/crops/hort/news/hortmatt/2003/18hrt0310.htm

ETp : Elle est définie couramment comme la somme de l'évaporation par la surface du sol et de la transpiration par le feuillage d'une culture dont les stomates sont entièrement ouverts, lorsque le sol fournit toute l'eau demandée. C'est une valeur théorique, calculée par des formules à partir de mesures sur un parc météo.

Cette notion de consommation potentielle en eau a été introduite par Howard Latimer Penman en 1948. En France l'évapotranspiration potentielle est calculée sur une fétuque manade (gazon) de 7 cm de hauteur, couvrant complètement le sol, bien alimentée en eau, en phase active où sont réalisées des mesures météorologiques. Une étude comparative de croissance et au sein d'une parcelle suffisamment grande.

L'ETp ne dépend que d'une culture particulière où sont réalisées des mesures météorologiques. Une étude comparative des différentes formules a été réalisée au sein de la Organisation des Nations unies pour l'alimentation et l'agriculture (FAO) par l'I.NI.A au Portugal. Les calculs réalisés sur plusieurs années démontrent une forte divergence.

ETo : Évapotranspiration de référence. C'est une limite de l'ETp utilisée pour des raisons pratiques. En tant que référence, elle est mesurée et calculée sur le couvert végétal considéré. L'ETo correspond donc à une évaporation potentielle dans des conditions hydriques réelles. Certains climats, moins tempérés que la Grande-Bretagne, ne permettent pas de maintenir cette fétuque de référence, en particulier en Californie pour le réseau CIMIS.

L'évapotranspiration de Fouzi : Fouzi a dit que l'eau évapore par l’augmentation de la température et de l'ensoleillement.

ETM : Évapotranspiration Maximale. C'est la valeur maximale de l'évapotranspiration d'une culture donnée, à un stade végétatif, dans des conditions climatiques données, prise en compte par l'ETp. C'est une correction de l'ETp en fonction du couvert végétal. ETM = Kc x ETP, Kc étant le coefficient cultural. Pour déterminer le coefficient cultural, Christian de Pescara propose la méthode suivante : il faut conduire la culture à l'ETM que l'on peut déterminer par un appareil calculant au-dessus de la parcelle l'ETR ou par un lysimètre. Alors nous avons ETRmax = ETM et nous calculons: Kc = ETRmax/ETp. Ainsi nous pouvons calibrer les coefficients culturaux Kc.

Exemple de variation de l'ETR sur graphique en fonction de la température

sans-titre-1001.pnghttp://www.oleiculteur.com/L'eau%20et%20le%20sol.htm

 

 2. Evapotranspiration potentielle ( ETP)

Comme signalé ci-dessus, l'ETP ( ETp) est la somme d'eau perdue par l'évaporation du sol et la transpiration d'un couvert végétal complet  ( on suppose que la transpiration n'est pas limitée par la disponibilité de l'eau dans le sol ).

ETP se distingue de ETR  (ETR, ETR max , évapotranspiration réelle et réelle maximum ), qui représente l'eau perdue en réalité : ETR est moins élevée que ETP ( raréfaction de l'eau dans le sol ; occupation incomplètedu sol par les végétaux , voir ci dessus coefficient cultural ----->  ETM = Kc x ETP, Kc étant le coefficient cultural,Kc = ETRmax/ETp). 

La formule de Turc est bien adaptée à nos régions :

ETP MENSUELLE = 0,4 ( Ig + 50 ) t/t + 15

Ig = valeur des radiations solaires en calories ( par cm2 et par jour )

t = température moyenne mensuelle en °C

Par exemple  pour la France ( Duchaufour ) : de 8 mm en hiver ( Nord est et montagne ) soit 8 dm3 d'eau à 100 mm en août ( France océanique ) et 135 mm dans la région méditerranéenne.

Exemple de graphique

sans-titre-1000.pnghttp://www.oleiculteur.com/L'eau%20et%20le%20sol.htm

3. Utilisation de l'eau par les plantes

Les plantes n'utilisent pas avec la même facilité toute la réserve en eau utile du sol. Lorsque cette dernière tend à s'puiser et que, par conséquent, le potentiel matriciel de l'eau augmente , l'absorption par les racines devient plus difficile et la plante en fermant ses stomates,donc en réduisant sa transformation.Ceci conduit à une économie de l'eau restant dans le sol d'une part, et d'autre part à une réduction de la production de matière sèche , puisque les stomates fermés enrayent la synthèse chlorophylienne.

On peut démontrer mathématiquement que, pour un régime journalier de l'ETP les plantes réduisent d'autant plus leur temps de transpiration maximale , que :

1) Le sol est plus sec ; dans ce cas, le pF du sol entre les racines est plus élevé .

2)L'enracinement est moins dense

3) La profondeur d'enracinement est plus faible .

4) Le sol est moins bon conducteur de l'eau. Les sols limono-sableux sont meilleurs conducteurs de l'eau que les sols argileux.

4. Représentation graphique du régime hydrique

On peut exprimer graphiquement les variations de pF aux différentes profondeurs en fonction du temps ( saisons ou mois )

On porte en abscisse le temps ( mois )

Ordonnées négatives : profondeur ( une courbe de pF pour chaque profondeur 10-20-30,...cm)

Ou encore comme suit :

 sans-titre-999.png

 

 I.5.7 Nutrition en eau des plantes

Le point de flétrissement à parir duquel l'eau n'est plus absorbable, est sensiblement indépendant de la plante et de ses exigences en eau ( pF 4,2).

Mais les plantes se comportent différemment suivant la manière dont est absorbée l'eau disponible .

Des expériences menées sur deux variétés de Dactyles, l'une mésophile, l'autre xérophile , ont permis de tirer les conclusions suivantes :

1) Pour un pF donné , les espèces hygrophiles absorbent plus d'eau que les xérophyles et elles épuisent rapidement les réserves en eau dus sol , ce qui conduit à une baisse plus rapide de leur croissance.

2) A consommation d'eau égale , la croissance des hygrophiles est plus lente que celle des xérophyles.

Dans des conditions d'alimentation en eau difficiles , pour un pF élevé, les premières risquent d'être éliminées  par la concurrence des secondes.

 On peut donc , classer les espèces végétales , selon leurs besoins en eau en trois groupes :

- Les hygrophiles : on besoin d'une importante quantité d'eau à faible pF pour maintenir leur croissance active .Le pF  ne doit pas être supérieur à 2,5-3. Une alimentation par ascension capillaire, au dépens d'une nappe , leur est alors nécessaire en saison sèche ( Peupliers hybrides euraméricains, Frênes, Phragmites.... ).

- Les mésophiles se satisfont avec des réserves d'eau "suspendue" à la condition qu'elles soient suffisamment abondantes en toutes saisons ( graminées des prairies, espèces forestières sociales,...).

- Les xérophiles : résistent aux sécheresses prolongées par réduction de leur consommation d'eau au minimum. Elles limitent l'évapotranspiration et réduisent considérablemen leur croissance. Comme leur appareil radiculaire prospecte souvent un gros volume de sol , les réserves d'eau ne s'épuisent que lentement . Le pF se maintient légèrement au dessous de 4,2 pendant une longue période, d'autant plus que l'évaporation peut être freinée par le self mulching. De plus leurs feuilles sont fortement cutinisées, réduisant ainsi la transpiration cuticulaire , et elles ont des racines qui résistent à la mort par dessèchement et se régénèrent avec une grande facilité. Exemple : Certains résineux ( Pins ) ; les espèces de pelouse calcaire sur rendzine superficielle ; les espèces de la lande sèche ( bruyère commune ) ; les espèces de sols sableux squelettiques. 

I.5.8 Applications aux propriétés physiques des sols

A. Amélioration des propriétés physiques des sols par la lutte contre la dégradation de la structure.  

-  Dégradation de la structure  : cas fréquent dans les sols agricoles comme dans les sols forestiers.

Agricoles

- culture prolongée sans engrais organiques .

- emploi d'engrais stabilisants ( NaNO3 ) ou acidifiants sans apport de Ca en contrepartie (Am2SO4).

- travail du sol et abandon en en jachère nue pendant une période prolongée.

- mauvais assolement .

- façons culturales mal appliquées ou à mauvaise époque ou encore dans de mauvaises conditions ( sol mal ressuyé ) etc...

Conséquences variables : disparition de la matière organique , tassement du sol, manque de réserves en eau ou mauvaise économie en eau ( marmorisation ), acidification ou alcalinisation selon le cas, formation d'une nappe temporaire " perchée " etc....... 

Forestiers :

- dénudation prolongée ou répétée du sol ( coupes rases ).

- d'installations d'essences acidifiantes ( Pins, Ericacées ).

Remèdes 

Sols cultivés : selon les cas :

- Emplois de doses massives d'amendements organiques pour reconstituer le stock d'humus .

- Amendements calcaires .

- Assolements incorporant des prairies temporaires.

L'occupation du sol par la prairie est un des plus sûrs moyens de reconstituer une bonne structure. Eventuellement : solutions mixtes pré-bois en montagne et là où c'est possible.

- Amendements synthétiques ( résines agrégeabtes : Krillium etc...).

- Drainage du sol.

- Travail du sol.

- Travail du sol ; engrais adéquats.

Sols forestiers

- Reconstitution d'un couvert à l'aide d'un mélange d'essences, adaptées aux sols compacts, susceptibles de produire un humus et d'abaisser progressivement le plan d'eau par drainage naturel par les racines.

- Drainage du sol , apport d'engrais adéquats .  

B. Maintien des réserves en eau du sol

En prévision des périodes sèches, favoriser au maximum la constitution de réserves d'eau dans le sol et et empêcher ensuite les pertes par évaporation .

- Travail initial profond du sol ( sous-solage) effectué longtemps avant tout emblavement afin de faciliter le développement des racines et la pénétration des pluies en profondeur. 

- Binages fréquents en surface, afin de créer une couche sèche , formant un écran protecteur et freiner l'évaporation.

- Appliquer le roulage à bon escient et éviter les causes de tassement du sol.

- Appliquer la technique du mulching par épandage de paille ou de déchêts meubles en surface , ce qui a pour but de limiter l'évaporation et d'empêcher l'érosion éolienne.

- Drainage ( ou irrigation ) des sols.

- Application d'engrais adéquats ( ce qui favorise indirectement l'économie en eau : ( transpiration moindre à consommation égale de solutions nutritives ).

C . Etablissement rationnel de drains ( profondeur et écartement ) se fait par l'étude de mouvements de l'eau dans le sol.

 Pour ce qui concerne l'irrigation, la quantité d'eau à distribuer au sol et la vitesse d'éculement de l'eau dans les canaux se font par comparaison avec des tables et grâce à l'emploi de tensiomètres .  ( Voir génie rural ).

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Commentaires (1)

1. REBADACAMBA Rufin (site web) 03/09/2014

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Date de dernière mise à jour : 21/06/2014