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Influence des conditions de sechage des terres sur leur stabilite structurale
Gwendal Monnier, L. Konan
To cite this version:
Gwendal Monnier, L. Konan. Influence des conditions de sechage des terres sur leur stabilite struc-
turale. Annales Agronomiques, INRA, 1968, 19 (5), pp.541-551. �hal-02729482�
Ann. agron., 1968, 19 (5), 541-551.
INFLUENCE DES CONDITIONS DE SÉCHAGE DES TERRES SUR LEUR STABILITÉ STRUCTURALE
G. MO.NNIER et L. KONAN
Laboratoire des Sols, Station centrale d'Aronomie, Centre national de Recherches agronomiques, 78 - Versailles
Institut national d( la Recherche agronomique
SOMMAIRE
En faisant varier ]e. conditions de séchage des échantillons prélevés, il est montré que celles-ci ont, dans le cas des terres contenant des matières organiques, une influence sensible sur la stabilité structurale. Ce phénomène est rapproché des observations, faites par ailleurs, reliant le comportement vis-à-vis de l'eau d'une terre à son histoire hydrique » au cours de la période précédant le prélèvement.
INTRODUCTION
La plupart des méthodes couramment utilisées pour évaluer la stabilité struc- turale des terres s'appliquent à un échantillon, préalablement « séché à l'air », c'est- à-dire exp Dsé jusqu'à poilq constant à l'atmosphère d'un laboratoire ou d'un local spécialement affecté à cet usage. Au cours de ce traitement, la quantité d'eau perdue, le temps de séchage et l'humidité finale dépendent pour un matériau donné de son humidité au départ, de la température et du degré hygrométrique de l'air ambiant.
Notre but est d'examiner ici quelles peuvent être les répercussions de cet ensem- ble de conditions sur les résultats du test de stabilité structurale utilisé. Notons dès à présent qu'une telle recherche présente un double intérêt : tout d'abord, d'un point de vue technique, nous chercherons à préciser les précautions éventuelles à prendre lors du séchage — pour améliorer la reproductibilité et la fidélité de la méthode — tout en conservant sa validité générale. Mais l'on peut aussi penser qu'une telle étude aborde un problème de fond : celui des relations qui peuvent exister entre la stabilité structurale d'une terre et son « histoire hydrique » récente telles qu'elles ressortent d'un travail récent de M. SÉBruonz (1968) sur l'évolution du sol sous différentes rotations de culture ou telles qu'elles sont suggérées par l'examen des variations sai- sonnières de stabilité structurale (G. MONNIER, 1965).
Annales agronomiques. — 1968. 3
542 G. MONNIER, L. KONAN
MÉTHODES D'ÉTUDES er MATÉRIEL EXPÉRIMENTAL
1. Appréciation de la stabilité structurale
Nous avons utilisé la méthode proposée par S. BENIN et G. MONNIER (1956) en suivant la tech- nique standardisée décrite par A. FÉODOROFF (1960). Les résultats sont présentés non sous la forme globale de l'indice S, mais Qous forme des taux d'agrégats stables obtenus à l'issue des différentr tests de tamisage sous l'eau Ag. p. Tao après prétraitement à l'alcool éthylique, Agb p. roo après préttai- tement au benzène et Ag, p. r oo sans prétraitement.
Ces données partielles permettent en effet une interprétation particulière à chacune d'elle (G. MON- NIER, 1965; D. KHEYRABI et G. MONNIER, 1968). C'est ainsi qu'un prétraitement à l'alcool éthylique permet de déceler de petites variations de stabilité liées à des modifications de la cohésion à l'état humide du matériau étudié, tandis que le résultat du test au benzène est principalement fonction de la mouillabilité de l'échantillon. Il devient alors possible de se faire une idée du mécanisme principal par lequel un traitement donné du sol modifie la stabilité de sa structure.
2.
Matériel rxpérimi:ntal
Nous a-.-ons opéré sur deux sols situés dans le périmètre du Centre national de la Recherche agronomique à Versailles. Ces deux matériaux, qui présentent l'un et l'autre une stabilité structurale moyenne, se distinguent par les facteurs déterminant cette propriété.
Le premier constitue les 20 premiers centimètres d'un sol de limon appartenant au dispositif dit des « 42 parcelles » et qui a reçu depuis près de 40 ans des apports annuels de fumier de ferme de l'ordre de roo t/ha. Sa stabilité est essentiellement liée à une teneur élevée en matières organiques.
Le deuxième a été prélevé à la surface de cases lysimétriques remplies depuis une dizaine d'an- nées avec un matériau argilo-limoneux tiré de l'horizon d'accumulation (H.B.) d'un sol de limon de la même région. Depuis sa mise en place, le sol conservé dans la case lysimétrique choisie, n'a porté aucune culture et a été maintenu propre par désherbage manuel. Très pauvre en matière organique.
il doit sa stabilité à une texture favorable.
Le tableau r ras:;emble les principales caractéristiques de constitution de ces deux terre.,
TABLEAU I
Caractéristiques des sols étudiés
Composition granulométrique p. 100
« 42 parcelles » Traitement fumier
Horizon B (cases I:simétriques)
Argile 2 p.. 17,70 28,50
Limon 9-20 p. 22,75 24,00
Limon 20-50 p. 35,00 44,30
Sable fin 50-200 p. 17,25 1,50
Sable grossier 0,2-2 mm 3,00 0,50
Matières organiques 4,35 0,70
Carbone p. 1 000 25,3 4,04
Azote p. 1 000 2,10 0,46
C/N 12,05 8,»
pH 7,30 6,40
SÉCHAGE DU SOL ET STABH,ITt STRUCTURALE 543
RÉSULTATS Er DISCUSSION r. Expérience préliminaire
Des échantillons prélevés avec les précautions habituelles dans la couche super- ficielle des sols en place ont été répartis chacun en 3 lots séchés en mottes respective- ment dans les conditions suivantes :
I° à l'étuve à 105° jusqu'à poids constant;
2° à l'air dans les conditions assez fluctuantes de l'atmosphère du laboratoire : température comprise entre 20 et 25 0 — humidité relative comprise entre 6o et 70 p. 100 de la saturation ;
3° dans une enceinte climatisée, dans des conditions thermiques (20 0C) et hygrométriques (50 p. Ioo) constantes.
A l'issue de ces traitements, les échantillons ont été forcés à la main à travers un tamis de 2 mm d'ouverture de maille. Les tests de tamisage sous l'eau ont été prati- qués sur des agrégats de diamètre compris entre zoo et 2 000 p. extraits par tamisage à sec de la terre fine obtenue (et non sur la terre fine totale comme dans la méthode standard) de façon à accroître la précision et la sensibilité de la méthode.
Les résultats sont consignés dans le tableau 2.
T.ÀBI,EATJ 2
Influence du type de séchage SUï la stabilité structurale
Mode de séchage
42 parcelles « fumier » H. B. Cases lysi métriques Ag„ p. 100 Ag b p. 100 Ag, p. 100 Aga p. 100 Agb p. loo Ag, p. 100
Air laboratoire 12,0 (100) (1)
7,8 (100)
6,1 (100)
18,8 (100)
1,7 (100)
4,1 (100) Armoire climatique 13,1
(109)
6,8 (87)
6,0 (98)
17,8 (86)
1,8 (105)
5,2 (126)
Étuve à 105 0 23,2 (193)
31,7 (406)
17,0 (275)
20,2 (107)
1,8 (105)
7,8 (190)
(1) Entre parenthèses — sous les différents taux d'agrégats — les valeurs indexées par rapport au mode de séchage usuel (air laboratoire).
On peut faire un certain nombre de constatations :
— les résultats obtenus après séchage à l'air classique permettent de préciser
le comportement des deux échantillons étudiés : le limon, enrichi en matière orga-
nique présente normalement un taux Ag b relativement élevé par rapport à son taux
544 G. MONNIER, L. KONAN
d'agrégats stables après prétraitement à : sa stabilité est liée bien davantage à une faible mouillabilité qu'à une cohésion à l'état humide élevée. Le limon argileux pauvre en matière organique présente un taux d'agrégats ( 113 Aga + Ag, + Ag) très voisin (8,2 au lieu de 8,6) pour des raisons inverses (cohésion à l'état humide plus éle- vée, mouillabilité beaucoup plus forte). Les échantillons choisis représentent donc bien z types différents de comportement.
La régularisation des conditions de séchage obtenues dans l'enceinte climatique n'a d'influence sensible sur aucun test d'aucun des deux échantillons étudiés. L'erreur relative (P = o,or) de ce type de détermination est en effet de l'ordre de ± 7 p. roo ;
— Par contre, le séchage à l'étuve à 1050 provoque un accroissement très impor- tant de la stabilité du limon organique, sans modifier le comportement du limon argi- leux. L'examen détaillé des résultats obtenus sur le premier permet de conclure sans ambiguïté que le séjour dans l'étuve à 105 0 a provoqué une diminution notable de mouillabilité et que c'est cette évolution qui est à l'origine de l'accroissement de sta- bilité: c'est en effet le taux Agb qui est le plus affecté (il est quadruplé par rapport au témoin séché à l'air) ; les variations de .Ag o et Aga dans l'ordre de moins en moins fortes en sont alors des conséquences obligatoires sans qu'il soit nécessaire pour les expliquer de faire intervenir une variation éventuelle de cohésion de terre humide. Le comportement inchangé du limon argileux confirme d'ailleurs cette manière de voir ;
— Quant à l'influence du mode de séchage qui se manifeste dans les taux Ag, p. roo du limon argileux, elle est difficilement interprétable. Les variations notées sont trop importantes pour être imputées à une erreur de mesure ; d'autre part, le fait que ni Aga ni Agb p. ro° ne soient affectés, interdit tout hypothèse classique.
En résumé, et si l'on excepte cette dernière particularité, il ressort clairement de cette première expérience, que le problème du mode de séchage se pose surtout pour les terres riches en matières organiques qui doivent leur stabilité à une faible mouilla- bilité. Aussi, un certain nombre des expériences suivantes destinées à préciser ces résul- tats préliminaires, porteront-elles uniquement sur le comportement du limon orga- nique.
2. Influence de l'humidité au moment du prélèvement
Nous avons déjà noté qu'un traitement « séchage » devait être défini par l'humi- dité initiale de l'échantillon, c'est-à-dire dans le cas général par l'humidité du sol au moment du prélèvement.
Profitant d'une période estivale à pluies intermittentes, nous avons pu effectuer une série de prélèvements couvrant une gamme assez large d'humidité, et nous les avons soumis aux 3 types de séchage précédemment définis. Les tests de stabilité effectuér ont porté uniquement sur le taux d'agrégats stables obtenus après prétrar- tement au benzène qui, dans l'expérience préliminaire, s'était avéré le plus sensible.
Les résultats sont regroupés dans le tableau 3.
Les conclusions apparaissent différentes suivant le mode de séchage.
— Dans le cas d'une dessiccation progressive, à la température ordinaire, la sta-
bilité au benzène est d'autant plus élevée que les échantillons ont été prélevés à une
humidité plus faible. Ces résultats sont en bon accord, — aussi bien en ce qui concerne
le sens que l'ordre de grandeur des variations, — avec les observations effectuées
sur les variations saisonnières de stabilité de la même parcelle (G. MoNmER, 1965),.
SÉCHAGE, DU SOL ET erABILrrt STRUCTURALE 545 Au cours de l'année, le taux .Agb y passait de 6 p. ioo à la sortie de l'hiver à plus de 15 p. roo en été. Ce qui est remarquable, c'est de retrouver à l'intérieur d'une période très courte le phénomène observé tout au long d'une année.
TABLEAU 3
Influence de l'humidité au prélèvement d'un limon organique sur son taux Agb p. 100
Humidité
au prélèvement 16,8 18,0 21,0 27,6 31,2 33,0
Type de séchage
Air laboratoire (1) 12,1 12,9 9,3 8,5 7,8 7,8
Enceinte climatique (2) . 10,0 8,0 8,4 6,2 6,5
Étuve à 105° (3) 35,5 4 3,8 28,0 14,2 31,7 31,6
Lorsque la dessiccation a lieu à l'étuve à ro5 0, l'influence de l'humidité au moment du prélèvement est encore manifeste mais les variations observées de stabilité sont anarchiques. Tout se passe comme si un séchage brutal était à même de révéler l'inci- dence complexe des variations d'humidité initiale, c'est-à-dire de l'humidité du sol au moment du prélèvement. Cette manière de voir se trouve confirmée si l'on simplifie la question posée en portant à l'étuve à 1050 des fractions d'un prélèvement unique, effectué ici à une humidité voisine de la capacité au champ, qui ont été soumises au préalable à des « pré-séchages à l'air » plus ou moins poussés.
Le tableau 4 montre que si l'influence des conditions de séchage en essai est tou- jours nulle pour le limon argileux, elle se manifeste nettement et régulièrement cette fois en ce qui concerne le limon organique ; mais que, contrairement au cas d'un sé- chage progressif, la stabilité est d'autant plus élevée que l'humidité au moment de la mise à l'étuve était plus élevée.
TABLEAU 4
Influence de l'humidité de l'échantillon avant mise à l'étuve
Limon argileux (II. B.)
Humidité 2,1 2,5 5,5
, 19,5 24 avant étuvage
Stabilité (1) 100 •101 101 101 98
Limon organique (42 p. fumier)
FIumidité
avant étuvage 2,0 10,0 26 30
—Stabilité (2) 100 145 209 288 —
(1) Valeur indexée sur le taux Aga obtenu pour l'humidité initiale la plus basse.
(2) Valeur indexée sur le taux Ag
bobtenu pour l'humidité initiale la plus basse.
546 G. MONNIKR, L. KONAN
Il est difficile de proposer une explication satisfaisante et suffisamment étayée a ces deux phénomènes d'allure opposée. On peut toutefois formuler quelques remar- ques:
1 0 dans le cas d'un séchage dans les conditions ambiantes, les résultats obtenus qui traduisent une hystérésis à l'humectation plus marquée pour des prélèvements effec- tués en terrain relativement sec (tabl. 3) peuvent être rapprochés des difficultés notées par S. PÉRIGAIM (1967) à propos de la réhumectation d'échantillons de terres très organiques ou tourbeuses en vue de la détermination de leurs caractéristiques hy- driques après qu'elles ont été séchées à l'air. Cet auteur montre en effet que l'humidité mesurée à pF 2,7 croît alors avec la durée de réhumectation sans qu'un palier ait pu être atteint au bout de 16 jours : il apparaît également que cette humidité à pF 2,7 croît avec l'humidité initiale de l'échantillon au début de la réhumectation.
Par ailleurs, M. SÉBILLOTTE (1968) trouve que, pour un sol de limon battant dont le facteur essentiel de stabilité est la matière organique, et pour un précédent cultural donné, le taux d'agrégats au benzène et lui seul varie en sens inverse de la pluviomé- trie cumulée des deux mois précédant le prélèvement.
Rapprochées des observations déjà rappelées concernant les variations saison- nières des terres organiques et des résultats présentés plus haut, ces données suggèrent que l' « histoire hydrique » récente d'un échantillon y compris celle de la période au cours de laquelle il est encore en place, influe considérablement sur son comportement lorsque ce dernier dépend essentiellement des propriétés des matières organiques qu'il contient. Sans qu'on puisse préciser davantage pour l'instant, le mécanisme du phé- nomène ni ses conditions d'apparition, il apparaît qu'une telle terre sera d'autant moins facilement mouillable que son « histoire hydrique » sera à dominante plus sèche.
20 Dans le cas d'un séchage à 1050 où l'humidité au moment de la mise à l'étuve a une influence opposée, on peut imaginer a priori que deux types d'action se superposent : a) le premier serait un effet lié à la température : il inter çiendrait sur un échan- tillon déjà sec au moment de la mise à l'étuve ou après qu'il y ait perdu son humidité ;
TABLEAU 5
Influence sur la stabilité d'un échantillon de son maintien à l'étuve après dessiccation complète
(Humidité initiale : capacité au champ)
Durée de séjour
Aga p. 100 Ag b p. 100 Ag. p. 100
t. s. (1) t- + 48 h t. s. t. s. 48 h t. s. t. s. 48 h
à l'étuve Limon organique 42 parcelles» fumier»
23,2 22,6 31,7 31,4 17,0 15,8
Limon argileux
horizon B 22,2 20,3
1,8 1,8 7,8 7,3
(I) t. s. = durée de séjour à l'étuve juste nécessaire pour assurer la dessiccation.
SÉCHAGE DU SOI, er STABILITÉ STRUCTURALE 547 les essais de chauffage d'échantillons enrichis en matières organiques et séchés à l'air auxquels nous avons procédé par ailleurs (G. Mo/v-1.11ER, 1965) indiquent que des effets de ce type lorsqu'ils se manifestent, n'apparaissent qu'à des températures plus élevées, supérieures à 1050; d'autre part, le maintien d'un échantillon, organique ou non, à
1050 après la fin du séchage, n'a aucune influence sur son comportement (tabl. 5) ; b) le deuxième effet, qui reste une hypothèse plausible, serait lié à la circulation et à l'évaporation d'eau chaude au cours de la dessiccation à 105 0 . Nous avons remar- qué que de nombreuses terres humifères, et en particulier le limon organique étudié ici, contiennent des quantités non négligeables de substances organiques solubles dans l'eau chaude.
On peut alors supposer qu'une dessiccation à 105 0 entraîne une redistribution de ces substances sur les surfaces d'évaporation provoquant ainsi une diminution de mouillabilité des agglomérats délimités par ces surfaces. S'il en est ainsi, on peut penser que le phénomène est d'autant plus marqué que la teneur en eau initiale est plus élevée et corollairement que le maintien à mû d'un échantillon encore humide se trouve prolongé.
30 Influence de la température de dessiccation
Pour préciser l'influence de la température et de la vitesse de perte d'eau qui lui est liée, nous avons procédé au séchage de prises d'un échantillon de limon organique prélevé à une humidité de 33 p. zoo, c'est-à-dire légèrement au-dessus de sa capacité au champ, à différentes températures comprises entre o0C et 105°C.
La figure i représente les variations du taux Ag i, p. roo en fonction de la température de séchage. Nous avons fait figurer sur la même figure, les variations de la vitesse initiale d'ascension capillaire mesurée par une technique décrite par ailleurs (G. IVIoNNIER, 1965) qui constitue un moyen plus direct d'apprécier la mouillabilité des agglomérats soumis au test.
L'évolution similaire et, bien entendu, de sens opposé, de la vitesse d'ascension capillaire et du taux d'agrégats stables après prétraitement au benzène montre que si le phénomène responsable des observations faites au paragraphe précédent, est sur- tout marqué au-dessus de 80 0C, il est sensible tout au long de l'échelle de o à 8o 0 .
Il nous restait à chercher quelle pouvait être ici l'influence de l'humidité résiduelle variable, suivant les températures de séchage, de o à 5 p. roo — une expérience com- plémentaire nous a montré que les deux terres étudiées, lorsqu'elles étaient, après avoir été préalablement séchées à 105 0, amenées à des humidités comprises entre o et 5 p. Io() par séjour prolongé dans des atmosphères à humidité relative variables, ne voyaient pas leur comportement modifié si peu que ce soit.
Il est donc permis de conclure que c'est au cours même du séchage qu'intervient le phénomène responsable de la diminution de mouillabilité observée. Sans qu'on puisse préciser davantage, il apparaît de plus que la température et l'humidité pré- sente y jouent un rôle essentiel.
CONCLUSIONS
Comme nous l'indiquons en introduction, nous attendions d'abord de ce travail
des enseignements d'ordre technique. Sous réserve des considérations qui portent sur
548 G. MONNIER, L. KONAN
la signification même des variations de comportement observées et que nous exami- nerons plus loin, on peut tirer de cette étude les quelques conclusions suivantes :
Ag b"/.
40
30
20
— •—o Vitesse initiale d' ascension . capillaire Taux Ag b% d'agrégats stables après Prétraitement au benzène
\D_
s
