Mesures du potentiel hydrique et de la conductivité du sol basées sur une expérience d’évaporation simple à l’aide d’un analyseur de propriétés hydrauliques

Résumé

Cet article présente une expérience d’évaporation simple à l’aide d’un instrument de propriété hydraulique pour un échantillon de sol. Grâce à des moyens efficaces, les mesures peuvent être prises sur une série de jours pour générer des données de haute qualité.

Résumé

La mesure des propriétés hydrauliques du sol est essentielle pour comprendre les composantes physiques de la santé du sol ainsi que pour la connaissance intégrée des systèmes pédologiques dans le cadre de diverses pratiques de gestion. La collecte de données fiables est essentielle pour éclairer les décisions qui affectent l’agriculture et l’environnement. L’expérience d’évaporation simple décrite ici utilise des instruments en laboratoire pour analyser des échantillons de sol prélevés sur le terrain. La tension de l’eau du sol de l’échantillon est mesurée par l’instrument, et les données de tension sont modélisées par un logiciel pour restituer les propriétés hydrauliques du sol. Cette méthode peut être utilisée pour mesurer la rétention d’eau du sol et la conductivité hydraulique et donner un aperçu des différences de traitements ou de la dynamique environnementale au fil du temps. L’établissement initial nécessite un utilisateur, mais l’acquisition des données est automatisée avec l’instrument. Les propriétés hydrauliques du sol ne sont pas facilement mesurées avec des expériences traditionnelles, et ce protocole offre une alternative simple et optimale. L’interprétation des résultats et les options pour étendre la plage de données sont discutées.

Introduction

La rétention d’eau du sol et la conductivité hydraulique dans les environnements naturels et modifiés par l’homme nous aident à comprendre et à observer les changements dans la santé et la fonctionnalité du sol. La quantification des propriétés hydrauliques à l’aide de la courbe de rétention d’eau du sol (SWRC) et de la courbe de conductivité de l’eau du sol donne un aperçu des principaux facteurs du comportement physique du sol et de la caractérisation du mouvement de l’eau¹. La relation entre la teneur en eau volumétrique (θ) et la charge matriculaire (h) est représentée dans un SWRC, et les plages à l’intérieur de la courbe décrivent le point de saturation, la capacité au champ et le point de flétrissement permanent². Les pratiques de gestion des sols, les amendements, les types d’agroécosystèmes et les conditions environnementales peuvent tous avoir un impact sur l’hydraulique du sol ^3,4. Ces facteurs peuvent à leur tour influencer le transport du soluté⁵ et l’eau disponible pour les plantes⁶, la respiration du sol et l’activité microbienne⁷, ainsi que les cycles d’humidification et de séchage⁸. En tant qu’élément important de la quantification d’un sol sain et fonctionnel, une analyse appropriée du SWRC est impérative pour obtenir une compréhension éclairée des propriétés hydrauliques du sol.

Il existe actuellement diverses techniques de mesure pour développer un SWRC fiable, les méthodes de la colonne d’eau suspendue et de la plaque de pression étant des approches traditionnelles courantes pour déterminer la distribution de la taille des pores du sol². Les méthodes traditionnelles peuvent prendre beaucoup de temps, prenant généralement des semaines ou des mois pour analyser un petit ensemble d’échantillons⁹. De plus, une fois l’analyse terminée, ces méthodes ne produisent que quelques points de données qui informent le SWRC⁹. De plus, la précision de la production de données représentatives à l’aide de méthodes traditionnelles telles que les plaques de pression peut devenir une préoccupation à des potentiels matriciels plus faibles, en particulier avec des sols à texture fine^10,11. Les techniques plus modernes, qui impliquent l’approche simple de l’expérience d’évaporation à l’aide de tensiomètres et la méthode du point de rosée à miroir réfrigéré, ont tendance à fournir des données plus reproductibles sur un large éventail de textures de sol². Initialement développée par Wind en 1968, l’expérience d’évaporation simple consistait à mesurer les changements de masse d’eau et les changements de tension à l’aide de tensiomètres dans l’échantillon de sol au fil du temps¹². Au fur et à mesure de l’évaporation, des mesures de la masse de l’échantillon de sol sont prises à des intervalles de temps précis pour créer un SWRC. Affinée plus tard par Schindler (1980), la méthode n’impliquait que deux tensiomètres placés à des hauteurs de pression différentes dans l’échantillon de sol. La méthode modifiée a ensuite été testée et validée comme pouvant être utilisée dans l’analyse scientifique^13,14. L’un des principaux avantages de l’expérience d’évaporation simple est la possibilité de produire facilement des données sur une grande partie de la courbe d’humidité du sol (0 à -300 kPa), avec plus de points de données qu’avec les méthodes traditionnelles.

Ces méthodes modernes impliquent des instruments automatisés qui prennent de nombreux points de données tout au long de la période d’analyse de l’échantillon et produisent des données à l’aide d’une interface logicielle. L’instrument de propriété hydraulique est un instrument contemporain qui crée des courbes de rétention d’eau et des courbes de conductivité à partir de données d’échantillon¹⁵. En utilisant une expérience d’évaporation simple à l’aide de l’instrument de propriété hydraulique, la relation entre la teneur en eau et le potentiel hydrique dans le sol peut être évaluée¹. Dans cette expérience, l’eau présente dans le puits du tensiomètre existe en équilibre avec l’eau dans la solution du sol. Lorsque l’évaporation de l’eau du sol se produit et que l’échantillon de sol sèche, la cavitation se produit dans le tensiomètre et l’expérience se termine. Il y a une limitation de la propriété hydraulique de l’instrument dans la gamme sèche du SWRC, car l’instrument n’est capable de fonctionner qu’avec des potentiels matriciels de 0 à -100 kPa. Il est possible d’y remédier en incluant des données générées par une expérience sur le point de rosée à miroir réfrigéré à l’aide d’un instrument de mesure du potentiel hydrique^{du sol 16}, qui peut étendre la plage de données à -300 000 kPa ou au point de flétrissement permanent. Toutes ces données sont rassemblées dans le post-traitement du logiciel de modélisation pour informer de manière cohérente le SWRC des tensions nulles aux tensions plus élevées, même au-delà du point de flétrissement. Les courbes SWRC et de conductivité hydraulique sont ensuite générées sur la base des points de données de potentiel matriciel pris tout au long de la période de mesure, ce qui permet de générer une courbe complète projetée de la saturation au point de flétrissement permanent.

La méthode décrite ici présente un mode opératoire succinct pour l’analyse du sol à l’aide d’un instrument de propriété hydraulique. Cette méthode a été mise en œuvre dans un certain nombre de contextes scientifiques, y compris la quantification de la santé des sols dans un large éventail d’agroécosystèmes 3,17,18,19, et des efforts ont été déployés pour comprendre les meilleures pratiques au-delà du manuel d’utilisation de l’instrument ²⁰. Ici, un protocole standardisé est décrit pour toutes les étapes de la procédure, y compris l’échantillonnage sur le terrain, la préparation des échantillons, le fonctionnement du logiciel et le traitement des données. En suivant cette méthode, vous garantirez le succès d’une campagne qui aboutira à des données fiables. Les étapes essentielles pour garantir la qualité des données, les défis courants et les meilleures pratiques sont présentés pour assurer une mise en œuvre correcte.

Protocole

1. Échantillonnage du sol et préparation des échantillons

REMARQUE : La figure 1 présente un schéma du déroulement de cette méthode.

1. Prélèvement d’échantillons
   1. Creusez les premiers centimètres au-dessus de la profondeur d’échantillonnage souhaitée pour éliminer les débris indésirables, en particulier la litière organique meuble et la croûte de surface du sol.
   2. Placer le niveau du noyau d’échantillonnage métallique à la surface du sol exposé, le côté tranchant faisant face à la surface du sol ; Ensuite, placez le support de martelage sur le dessus de l’anneau.
   3. Frappez le haut du support de marteau à plusieurs reprises à l’aide d’un maillet en caoutchouc jusqu’à ce que le haut de la carotte d’échantillonnage métallique s’aligne avec la surface du sol.
   4. Creusez autour de la carotte d’échantillonnage métallique ; Ensuite, creusez sous le noyau pour le retirer du sol.
   5. Nivelez les deux côtés de la carotte d’échantillonnage métallique à l’aide d’une truelle ou d’un couteau une fois qu’elle est retirée du sol ; Ensuite, placez des couvercles en plastique de chaque côté du noyau.
   6. Ajoutez une étiquette d’échantillon sur le noyau métallique.
2. Stockage et utilisation des échantillons
   1. Conserver les échantillons dans un réfrigérateur à une température d’environ 4 ^°C avant l’analyse.
   2. Saturez les échantillons au moins 24 h avant l’analyse en plaçant les carottes d’échantillon dans un grand récipient en plastique avec de l’eau déminéralisée dégazée. Tout d’abord, retirez le couvercle en plastique qui se trouve sur le côté plat du bord plat de la carotte d’échantillonnage en métal et placez un filtre à café en papier sur le dessus, suivi d’une plaque de saturation. Ensuite, retournez le noyau et la plaque de saturation dans le récipient et remplissez-le d’eau déminéralisée dégazée à moins de 1 cm du haut de l’échantillon de sol. Remplissez le récipient avec de l’eau déminéralisée dégazée au besoin jusqu’à ce que le sol ait atteint la saturation.
      REMARQUE : La saturation se produit lorsque l’eau est visible sur la surface exposée du sol.

2. Unité de capteur et établissement du tensiomètre

1. Préparation du tensiomètre
   1. Faire tremper les tensiomètres pendant 24 h dans de l’eau déminéralisée dégazée : un tensiomètre haut (50 mm de longueur) et un tensiomètre court (25 mm) pour chaque unité de capteur qui sera utilisée dans la campagne d’analyse.
   2. Sceller le récipient contenant les tensiomètres pour limiter la diffusion de l’atmosphère dans l’eau.
2. Dégazage de l’unité de capteur par la méthode de la pompe à vide
   REMARQUE : Effectuez les étapes suivantes pour chaque unité de capteur qui sera utilisée dans la campagne.
   1. Remplissez les deux orifices de l’arbre du tensiomètre avec de l’eau déminéralisée dégazée vers le haut de l’orifice à l’aide d’une seringue de 20 mL et d’une aiguille à pointe fine. Assurez-vous que le transducteur de pression est propre en braquant une lumière dans l’orifice et en évaluant s’il y a des débris présents.
   2. Placez le dessus en acrylique sur l’unité de capteur et fixez les clips métalliques. Insérez la seringue contenant de l’eau dégazée déminéralisée dans l’ouverture du dessus en acrylique et remplissez jusqu’en dessous du haut de la tête en acrylique.
   3. Fixez le dessus en acrylique à l’unité de dégazage en insérant le tube en « T » sur l’unité de dégazage jusqu’au haut de la tête en acrylique.
      REMARQUE : Deux unités de capteur avec des dessus en acrylique peuvent être fixées à chaque unité de dégazage.
3. Remplissage du tensiomètre
   1. Placez une coupelle montée sur la scène dans les deux positions disponibles sur l’unité de dégazage, puis remplissez les 3/4 de la tasse avec de l’eau déminéralisée dégazée.
   2. Vissez les tensiomètres dans les supports filetés en acrylique ; Ensuite, déplacez le joint torique noir pour qu’il rencontre le haut du support en acrylique. Placer dans l’eau déminéralisée dégazée contenue dans les coupelles montées sur la scène.
4. Commencer le dégazage sous vide
   1. Assurez-vous que toutes les connexions sont bien fixées pour éviter les fuites.
   2. Allumez la pompe à vide jusqu’à ce que -0,4 bar soit atteint ; Ensuite, éteignez la pompe à vide et laissez le système s’égaliser. Allumez à nouveau la pompe à vide jusqu’à ce que -0,8 bar soit atteint.
   3. Tapotez le bas de l’unité de capteur sur une serviette épaisse pour éliminer les bulles d’air des ports du tensiomètre dans l’unité de capteur.
   4. Gardez le système sous vide pendant au moins 24 h. Vérifiez s’il y a des fuites en éteignant l’aspirateur et en vous assurant qu’il reste à la pression. Allumez la pompe à vide à intervalles réguliers pour amener le vide à la pression, car il perdra lentement de la pression à mesure que le système s’égalise.
   5. Après 24 h, retirez le tube du dessus en acrylique et retirez tous les tensiomètres des supports en acrylique. Placez les tensiomètres courts et hauts dans des béchers séparés d’eau déminéralisée dégazée.

3. Lancer une campagne

1. Préparation des unités de capteurs
   1. Branchez l’ensemble de l’unité de capteur dans les cordons de connexion du système.
   2. Placez un matériau absorbant tel qu’une serviette sous l’unité de capteur connectée et retirez le dessus en acrylique en relâchant les clips métalliques.
   3. Répétez les étapes 3.1.1 et 3.1.2 pour chaque ensemble d’unité de capteur pour une configuration à plusieurs capteurs, ou passez à la section 3.A.iv pour une configuration à un seul capteur.
   4. Cliquez sur le logiciel de mesure de données pour ouvrir le programme et cliquez sur l’icône Afficher les appareils .
   5. Assurez-vous que tous les capteurs connectés apparaissent dans la barre latérale du logiciel.
2. Installation du tensiomètre
   1. Cliquez sur l’icône de l’assistant de remplissage en haut du logiciel pour ouvrir l’interface utilisateur. Dans le menu déroulant, accédez à l’unité de capteur appropriée.
      REMARQUE : Les sondes sont en bon état de fonctionnement si leurs lectures initiales sont de 0 hPa (± 5 hPa).
   2. Sélectionnez un tensiomètre dans le bécher. Assurez-vous qu’il n’y a pas de bulles d’air visibles dans le puits et qu’il y a de l’eau qui se forme sur le dessus du puits du tensiomètre dans un ménisque convexe. Ajoutez plus d’eau déminéralisée dégazée avec une seringuse en haut du tensiomètre s’il n’y a pas de ménisque convexe.
   3. Déplacez le joint torique noir sur le tensiomètre vers le centre des filets.
   4. Inversez le tensiomètre dans l’eau stagnante présente sur l’unité du capteur tout en gardant le ménisque convexe intact.
   5. Installez le tensiomètre court dans le port du tensiomètre indiqué par une ligne courte. Installez le tensiomètre haut dans l’orifice du tensiomètre indiqué par une longue ligne.
   6. Vissez soigneusement le tensiomètre dans l’orifice du tensiomètre tout en regardant les lectures de pression dans l’onglet Lectures actuelles . Obtenez une étanchéité en effectuant un tour d’un demi-à plein du tensiomètre.
      REMARQUE : Après avoir été installé sur le port du tensiomètre, assurez-vous que les lectures du tensiomètre sont de 0 hPa (± 5 hPa).
   7. Placez une ampoule en silicone remplie d’eau déminéralisée dégazée sur le dessus du tensiomètre pour éviter la dessiccation de la pointe pendant l’installation d’autres tensiomètres.
   8. Répétez les étapes 3.2.1 à 3.2.7 pour chaque tensiomètre et capteur utilisé dans la campagne.
3. Placement de l’échantillon sur les unités de capteur
   1. Retirez un échantillon saturé et la plaque de saturation correspondante du récipient d’eau déminéralisée dégazée et placez-les sur une surface de travail.
   2. Placez le guide de vis sans fin sur l’anneau d’échantillonnage.
   3. Insérez la tarière à arbre de tensiomètre dans le trou du guide de la tarière et tournez la tarière à arbre de tensiomètre en une rotation complète pour enlever la terre. Répétez l’opération pour le deuxième trou.
      REMARQUE : Gardez une trace de la profondeur de chaque trou dans l’échantillon de sol car elle correspond à la hauteur du tensiomètre.
   4. Retirez le guide de la tarière et assurez-vous que l’échantillon de sol ne s’est pas effondré dans le trou.
   5. Retirez les ampoules en silicium de chaque tensiomètre et placez le disque en silicium sur le dessus de l’unité de capteur.
      REMARQUE : Assurez-vous qu’aucun air n’est piégé sous le disque de silicium et que le capteur de température n’est pas couvert.
   6. Alignez les trous dans la carotte d’échantillon avec la hauteur de tensiomètre correspondante sur l’unité de capteur.
   7. Inversez la carotte d’échantillon et placez-la sur le dessus de l’unité de capteur, en ajustant l’échantillon sur les tensiomètres.
   8. Retirez le filtre à café et la plaque de saturation. Fixez le noyau de sol à l’aide de fermoirs métalliques situés sur le côté de l’unité de capteur.
   9. Répétez les étapes 3.3.1 à 3.3.8 pour chacun des échantillons.
4. Lancement d’une campagne système
   1. Une fois chaque unité de capteur configurée, entrez l’identification de l’échantillon présent sur le noyau métallique car elle correspond à chacun des numéros de série de l’unité de capteur. Saisissez un nom unique pour la campagne de terrain, puis cliquez sur Parcourir pour enregistrer l’emplacement du fichier.
   2. Cliquez sur Démarrer.
   3. Prenez la lecture initiale du poids après avoir effectué deux lectures du tensiomètre. Tout d’abord, débranchez le cordon de connexion de l’unité de capteur, attendez qu’une boîte de dialogue apparaisse sur le logiciel et placez-le sur la balance de poids. Retirez le capteur une fois que le logiciel indique que la lecture du poids a été prise et rebranchez-la sur le cordon de connexion. Répétez l’opération pour toutes les unités de capteur.
   4. Peser les échantillons 3x par jour pendant les 2 premiers jours de mesure, puis 2x par jour à intervalles réguliers pour le reste de la campagne

4. Fin de la campagne système

1. Résiliation du logiciel
   1. Prenez une mesure finale du poids de chaque unité de capteur une fois que l’échantillon a atteint le point d’entrée dans l’air.
   2. Cliquez sur Arrêter et débranchez le cordon de connexion de chaque unité de capteur.
2. Démontage de la campagne
   1. Retirez la carotte d’échantillon de l’unité de capteur. Placez tous les matériaux de sol dans un récipient et séchez l’échantillon de sol au four.
      REMARQUE : Si vous travaillez avec des sols à texture fine, mouillez chaque échantillon de sol dans l’heure qui suit avant de le retirer de l’unité de capteur.
   2. Retirez le disque en silicone et nettoyez le haut de l’unité de capteur avec une serviette humide si nécessaire.
   3. Retirez soigneusement chaque tensiomètre des fentes. Nettoyez les pointes des tensiomètres avec une brosse à dents à poils souples et de l’eau si elles sont sales.
   4. Nettoyez la surface du capteur en inversant l’appareil et en pulvérisant de l’eau à partir d’une bouteille de lavage de sécurité.
   5. Nettoyez l’orifice de l’arbre du tensiomètre en inversant l’unité de capteur et en injectant de l’eau avec une seringue dans l’orifice.

5. Analyse des données

1. Obtenez le poids du sol sec de chaque échantillon et la carotte métallique correspondante.
2. Cliquez sur le logiciel d’analyse de données pour ouvrir le programme et cliquez sur un fichier d’exemple pour ouvrir les données dans le logiciel. Entrez le poids du noyau métallique dans la section Paramètres de l’onglet Informations .
3. Cliquez sur l’onglet Mesures | Rechercher le point d’entrée aérien. Pour affiner le point de cavitation, déplacez les lignes pointillées des points de début et d’arrêt dans la plage de données du tensiomètre. Faites de même pour les points d’entrée aériens si cela doit être spécifié pour le logiciel.
4. Cliquez sur l’onglet Évaluation , puis sous Calcul de la teneur en eau, assurez-vous que l’option Poids du sol sec (g) est sélectionnée. Entrez le poids de la terre séchée.
5. Cliquez sur l’onglet Ajustement | Appliquez le modèle qui convient le mieux aux données.
6. Cliquez sur l’onglet Exporter , choisissez un chemin d’accès au fichier et assurez-vous que le fichier est exporté au format .xlxs.
7. Répéter les étapes 5.1 à 5.7 pour chaque échantillon de sol.

Résultats

Après avoir terminé une campagne de mesure appropriée suivant le protocole ci-dessus, il sera possible de visualiser les données de sortie de l’expérience dans le logiciel d’analyse. Les courbes de sortie proviennent de relevés de tensiomètre qui mesurent la tension de l’eau (hPa) dans le temps (t), et la courbe initiale de ces données est générée immédiatement après la fin de la campagne. Des exemples choisis de courbes de tension de deux échantillons de sol peuvent ...

Discussion

L’approche simple de l’expérience d’évaporation utilisant la méthode décrite ici est un moyen efficace de développer le SWRC et les courbes de conductivité hydraulique. La simplicité et la précision de la mesure des données en font une alternative viable aux méthodes plus traditionnelles¹⁴. La méthode décrite ici va au-delà du manuel d’utilisation et de la littérature actuelle pour synthétiser et développer les points les plus fins de cet i...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
4 L Buchner Flasks (two)	Various	n/a	Containers for water degassing
20 mL Syringe, fine tip	BD	BD-302830
Coffee filter	Various	n/a	Prevents soil travel out of core while soaking
HYPROP Complete Set	Hoskin	110813/E240-M020210	tensiometer shaft auger, tube for vacuum syringe and refilling adapter, auger guide, HYPROP USB adapter, HYPROP sensor unit, tensiometer shafts (50 mm and 25 mm), saturation plate, refilling adapter, silicone gasket, set of o-rings, LABROS balance, software, cables
HYPROP Refill Unit	Hoskin	108899/ E240-M020258	vacuum pump, vacuum mount, beaker mount, refilling adapters
Large Plastic Tubs	Various	n/a	Holds water and soil cores during saturation
METER hammering holder	Hoskin	100255/E240-100201
Rubber Mallet	Home Depot	18CT1031	Sample collection tool used with hammering holder
Shovel	Home Depot	83200
Soil Sampling Ring incl. 2 caps	Hoskin	100254/E240-100101
Stir plate/ Stirring Bar	Various	n/a
Trowel	Home Depot	91365