Mesures tensiométriques in situ

Le tensiomètre permet une mesure directe du potentiel matriciel (ou succion) in situ. Le principe consiste à implanter les bougies poreuses dans le sol. Les bougies poreuses sont formées d’une canne fermée par un bouchon en silicone en surface à laquelle est vissé un embout en céramique. La céramique poreuse est formée d’une paroi mince à très haute conductivité. A l’intérieur de la canne, des flexibles préalablement remplis d’eau, s’équilibrent avec la solution du sol au travers de la céramique. Avant installation, les bougies poreuses doivent être saturées avec de l’eau dégazée et conservées dans l’eau. La bougie est reliée par un capillaire jusqu’au bouchon de mesure ce qui permet une saturation bougie + « canne » avec une simple seringue remplie d’eau distillé. La mesure de pression est effectuée avec un capteur de pression SMS 2500S par introduction d’une aiguille à travers le bouchon d’obturation de la canne. Il est nécessaire d’attendre 24h après l’implantation des bougies poreuses pour débuter les mesures pour que l’équilibre sol-bougie se créé dans les cannes. Ce système permet de mesurer, à travers le bouchon en silicone, la pression qui règne à l’intérieur de la canne soit la pression de l’eau du sol. Le tensiomètre permet également le prélèvement du fluide en vue d’analyses chimiques.

Les tensiomètres, disposés à différentes profondeurs, permettent de mesurer les évolutions du potentiel matriciel total (ou de succionΨ du sol. Ce potentiel total de l’eau du sol permet de comprendre les mouvements de l’eau et sa disponibilité (Tron et al., 2013Ψ. Il est contrôlé par différents types de potentiels dont la somme régit l’énergie (de liaison) de l’eau du sol (Buckingham, 1907 ; Schofield, 1935 ; Bourrié et Pédro, 1979 cité par Bigorre, 2000 ; Tron et al., 2013Ψ. Il peut s’écrire comme suit:

Φt = g + m + o + a + e Eq.II.18 avec, g le potentiel gravitaire (profondeur de la bougieΨ,

m le potentiel matriciel (capacité de rétention de la matriceΨ,

o le potentiel osmotique (nature et composition chimique de la solution du sol),

a le potentiel pneumatique (différence entre la pression de l’air dans le sol et la pression atmosphérique),

e le potentiel enveloppe (pression mécanique exercée par les couches supérieures du sol sur les couches inférieures).

a- Le potentiel gravitaire Ψg

Le potentiel gravitaire correspond à un déplacement dans le champ de pesanteur (Girard et al., 2011Ψ. L’équation s’écrit sous forme :

g = ρw.g.h Eq.II.19

avec, g le potentiel gravitaire, ρw la densité de l’eau, g la pesanteur et h la profondeur.

b- Le potentiel matriciel Ψm

Le potentiel matriciel est équivalent à l’énergie nécessaire pour extraire la première goutte d’eau d’un sol. C’est le potentiel de rétention de la matrice du sol. Il est obtenu à partir des mesures de tensiomètrie via des bougies poreuses en contact avec le sol. Il correspond aux

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forces de capillarité entre les grains et la tension superficielle du film d'eau autour des grains. La rétention d'eau par le sol correspond à une tension de succion. Le potentiel peut être exprimé en hauteur d’eau d’ascension capillaire, en centimètres ou mbar, en unités de pression, en hauteur d'eau équivalente ou en pF (Figure II.11; Tableau II.2):

pF= Log10│h│ Eq.II.20

avec h la hauteur d'eau équivalente en cm.

Figure II.11 : Correspondance entre la tension mesurée (mbar) et le pF.

Types d’eau Pression de succion (cm) pF

Saturation 1 0

Capacité maximale 10 1

Capacité de rétention 316 2.5

Point de flétrissement temporaire 10000 4

Point de flétrissement permanente 15850 4.2

Eau hygroscopique 50120 4.7

Séchage à l’étuve à 105°C 7

Tableau II.2 : Types d’eau et potentiels matriciels (pFΨ.

Le potentiel matriciel du sol augmente avec la diminution de sa teneur en eau. Finalement, par rapport aux besoins des plantes, la réserve utile (RU) des sols est définie à partir de la différence entre la capacité de rétention (capacité au champ) équivalent au pF 2.5 et le point de flétrissement correspondant au pF 4.2 (Mathieu et Pieltain, 1998 ; Mathieu et Lozet, 2011).

c- Le potentiel osmotique Ψo

La pression osmotique se définit comme la pression minimum qu’il faut exercer pour empêcher le passage d’une solution moins concentrée à une solution plus concentrée au travers d’une membrane semi-perméable. Elle se calcule à partir de:

o = CΩRΩT Eq.II.21

avec, C la salinité en équivalent NaCl (mol.L-1), R la constante des gaz parfaits (8,314 472 J.mol-1.K-1) et T la température absolue (298K).

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d- Le potentiel pneumatique Ψa

Il se définit comme la différence entre la pression de l’air dans le sol et la pression atmosphérique. Pour le cas de nos sols, il a été négligé face aux potentiels gravitaire, matriciel et osmotique (Debouté, 2011; Calvet, 2003a, b).

e- Le potentiel enveloppe Ψe

Le potentiel enveloppe est relatif à la pression (poids) exercée par les couches supérieures sur les couches inférieures du sol. Pour le cas de nos mesures localisées près de la surface il peut également être négligé face aux potentiels gravitaire, matriciel et osmotique (Debouté, 2011; Calvet, 2003a, b).

Ainsi, en négligeant a et e, le potentiel total devient :

Ψt = Ψg + Ψm + Ψo Eq.II.22

Finalement, la lecture de la pression lue sur le tensiomètre correspond au potentiel matriciel du sol qui doit être corrigé par la hauteur de la canne (hΨ. Le flux d’eau dépend alors de la perméabilité du sol à l’eau.

Sur le terrain, les pressions de succion ou potentiels matriciels ( mΨ ont été mesurées avec un tensiomètre électronique SMS 2500S (Figure II.12). Les bougies sont des céramique standard SDEC 2150 (diamètre 21 mm) limitées à des pressions de -850 mb, ce qui correspond à un pF de 2,93.

Les tensiomètres (bougies poreuses) ont été implantés sur les sites S2, S3 et S4 (parcelle Salgues) aux profondeurs 40, 60 et 80 cm en 2011, et de 30, 60 et 90 cm sur le champ de prairie et champ cultivé de l'INRA de 2012 à 2015. La différence des profondeurs 30-40 ou 80-90 cm est due au problème d’enfonçage des bougies. L'instrumentation par les tensiomètres a suivi un protocole classique:

- Immersion des bougies dans l’eau dégazée pendant 8h minimum afin de saturer la céramique,

- Remplissage en continu pendant 30 minutes (rinçage) puis re-immersion des bougies dans l’eau dégazée.

- Installation in situ dans les trous à la tarière de diamètre équivalent - remplissage des capillaires d'eau dégazée

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Figure II.12 : Schéma d’installation des bougies poreuses et de mesure des pressions de succion utilisé sur nos différents sites.

Ces suivis tensiomètriques ont été couplés par les suivis météorologiques sur le site de l’INRA. La méthode de calcul utilisé est celui de Penman (Penman, 1948Ψ.

II.7. Mesure mécaniques in situ : résistance à la pointe (Qd) et résistance au