Comparaison de fonctions de pédotransfert nationales et européennes pour prédire les propriétés de rétention en eau des sols

Comparaison de fonctions de pédotransfert nationales et européennes pour prédire les propriétés de rétention en eau des sols

Prélèvement des échantillons Les campagnes d’échantillonnage se sont déroulées en période hivernale lorsque les sols étaient en conditions hydriques proches de la capacité au champ, c’est-à-dire la plupart du temps environ 48 heures après une période pluvieuse. Les échantillons ont été prélevés à partir de fosses pédologiques sous la forme de volumes non perturbés (blocs ou mottes) de dimensions décimétriques. Ils ont été conservés dans des boîtes hermétiques à la teneur en eau correspondant à leur état lors du prélèvement, en chambre froide ou au réfrigérateur à une température de l’ordre de 4 à 5 °C de telle faç on à limiter l’activité biologique (Bruand et al., 1996 ; Bruand et al., 2002). Dans chaque horizon échantillonné, des échantillons perturbés ont aussi été prélevés pour les analyses qui ont été réalisées au laboratoire d’analyse de sols de l’INRA à Arras. B. Détermination de la densité apparente Pour pratiquement tous les horizons échantillonnés, des mesures de densité apparente (la masse volumique aux unités près) ont été réalisées sur des mottes de dimensions centimétriques dans l’état correspondant à celui lors du prélèvement. Ces mesures ont été réalisées à l’aide de la méthode au pétrole (Monnier et al., 1973) excepté pour les horizons de texture sablo-argileuse, sablo-limoneuse et sableuse pour lesquels la cohésion était trop faible pour qu’une telle mesure soit réalisable. La densité apparente (Da m ) est donnée par la relation : Da m = ms x ρk / mk x ρw  avec mk : masse de kerdane (ester de pétrole) déplacé par l’échantillon, ms : masse de l’échantillon séché à 105°C, ρk : masse volumique du kerdane (0,782 g cm-3), ρw : masse volumique de l’eau (1 g cm-3) (Figure 2.2, a). Les valeurs moyennes ont été obtenues sur une dizaine de mottes. La densité apparente des horizons étudiés (Da h ) a été déterminer sur le terrain à l’aide de la méthode au cylindre en utilisant des cylindres de 500 ou 1000 cm3 selon les cas. Elle a été calculée après séchage à 105°C pendant 24 h à l ’aide de la relation suivante : Da h = Ms / Vc avec Ms : masse de sol séché à 105°C contenu dans le cylin dre, Vc : volume du cylindre. Trois mesures ont été effectuées pour chaque horizon (Figure 2.2, b, c). 

Mesure des propriétés de rétention en eau

Les déterminations ont porté sur des mottes de dimensions le plus souvent centimétriques (5 à 20 cm3 ) obtenues par fragmentation à la main à partir des échantillons non perturbés prélevés qui étaient eux de dimensions décimétriques (300 à 1000 cm3 ). Les analyses ont par conséquent été effectuées sur des échantillons à structure interne intacte et n’ayant jamais été séchées (Figure 2.3, a, b). Sept teneurs en eau massiques (W) ont été déterminées pour des valeurs de potentiel de –10 hPa (W1.0), –33 hPa (W1.5), –100 hPa (W2.0), –330 hPa (W2.5), –1000 hPa (W3.0), –3300 hPa (W3.5) et –15000 hPa (W4.2). Les déterminations ont été réalisées en utilisant des dispositifs pneumatiques. Les mottes ont été disposées sur une pâte de kaolinite préalablement ressuyée à –10² hPa de façon à établir une continuité satisfaisante entre l’eau de l’échantillon et la membrane ou la plaque poreuse du dispositif (Bruand et al., 1996). Ce dispositif s’apparente à celui qui a été utilisé par Tessier et Berrier (1979) mais il permet, selon le dispositif utilisé, de mettre à l’équilibre de 20 à 40 mottes dans une même cellule de pression (Figure 2.3, c, d). La teneur en eau est mesurée après sept jours de mise sous pression (de telle façon à avoir atteint l’équilibre quelle que soit la texture des échantillons et leur taille) par passage à l’étuve à 105°C pendant 24h. Pour chaque détermination, la teneur en eau correspond à la moyenne donnée par 10 à 15 mottes.

Analyses physico-chimiques

Les analyses physico-chimiques ont été réalisées au Laboratoire d’Analyse des Sol de l’INRA à Arras. Pour chaque échantillon, il a été procédé à une analyse granulométrique en cinq fractions (argile :< 2 µm ; limon fin : 2-20 µm ; limon grossier : 20-50 µm ; sable fin (50- 200 µm et sable grossier : 0,2-2 mm) sans décarbonatation par sédimentation (AFNOR, 1996 ; AFNOR NF X 31-107). La méthode consiste en la dispersion des particules minérales d’un échantillon de sol et en la stabilisation de cet état dispersé dans des conditions bien définies. Après destruction de la matière organique par l’eau oxygénée (H2O2) sur une prise d’essai d’environ 10 g par ajout d’hexamétaphosphate de sodium et de NaOH 1N, les différentes classes de particules ont été séparées par sédimentation pour les fractions fines (< 50µm) et par tamisage pour les fractions de taille supérieure. La détermination des fractions les plus fines (< 50 µm) s’effectue au moyen de 3 prélèvements successifs (à la pipette dite de Robinson) dans une suspension de sol en cours de sédimentation. La fraction des sables fins est séparée par passage sur tamis de 50 µm et sous courant d’eau de la suspension après prélèvement des fractions fines. La capacité d’échange cationique (CEC) et les cations échangeables (Ca²+ , Mg²+ , K+ et Na+ ) ont été déterminés selon les échantillons au pH du sol par échange avec du chlorure de cobaltihexamine (Méthode à la cobaltihexamine) ou en milieu tamponné à pH = 7 (Méthode Metson)2 . Dans le cas de Cobaltihexamine (Ciesielski et Sterckemann, 1997), la détermination de la concentration en ions cobaltihexamine restée en solution après échange avec l’échantillon permet de calculer la quantité fixée sur ce dernier et d’en déduire la valeur de sa CEC. Cette caractéristique permet d’envisager la détermination de la quasi totalité des cations échangeables quel que soit niveau d’acidité du sol. Dans le cas de la méthode Metson, la détermination de la CEC comprend trois étapes : (i) l’échantillon est d’abord saturé en ions ammonium (NH4 + ) par percolations successives d’une solution d’acétate d’ammonium (CH3CO2NH4) à 1 mol/L, (ii) le pouvoir tampon de cette dernière permet de ramener le pH du milieu aux environs de 7, ce qui constitue une des caractéristiques essentielles de la méthode, (iii) après avoir éliminé l’excès d’ions ammonium par percolations d’alcool éthylique, on procède ensuite à leur échange par une solution de chlorure de sodium à 1 mol/L. Les ions ammonium déplacés sont dosés par spectrocolorimétrie sur la solution précédente, une fois filtrée. Les concentrations trouvées sont converties en cmol(+)/kg (centimoles de charges positives par kilogramme de sol sec). Les cations échangeables peuvent être déterminés par agitation (et non par percolation) de l’échantillon en présence d’une solution d’acétate d’ammonium (extraction des cations échangeables à l’acétate d’ammonium) à 1 mol/L. Après filtration, l’extrait est récupéré en vue du dosage des cations passés en solution (Annexe 4). 

Diffraction des Rayons X de la fraction < 2 µm La minéralogie de la fraction < 2 µm de 12 horizons issus de 8 profils de sols3 a été étudiée par diffractométrie des rayons X. La sélection de ces 12 horizons s’est effectuée à partir des diffractogrammes de rayons X obtenus sur les échantillons sous la forme de poudre. La fraction < 2 µm des horizons sélectionnés a ensuite été étudiée sous la forme de dépôts orientés préparés selon le protocole décrit par Robert et Tessier (1974) (Annexe 5). Le faisceau de rayons X est diffracté sur un réseau de plans cristallins selon la loi de Bragg : 2 × d × (sin θ) = n × λ avec d : distance entre deux plans réticulaires, θ : angle entre le faisceau incident et les plans réticulaires ; n : ordre de la diffraction, λ : longueur d’onde de la source produisant les rayons X. Connaissant les angles θ, on peut estimer les distances réticulaires d du réseau cristallin. Les échantillons sous forme de poudre été analysés à l’aide d’un diffractomètre INEL XRM 3000 en transmission équipé d’un détecteur courbe INEL CPS 120 et d’un tube à anticathode CO 35 kV 35mA. Les échantillons (terre fine < 2 mm, séché à l’air) ont été broyés à l’aide d’un mortier agate. La poudre obtenue a ensuite été introduite dans un capillaire de Mark diamètre 0,5 mm, verre 14. La fraction < 2 µm extraite par sédimentation (Figure 2.4) a été déposée sur une lame de verre lisse, puis séchée à l’air (24 h) à l’abri de la poussière. La phase argileuse ainsi préparée sous la forme d’un dépôt orienté (lame orientée) a été étudié à l’aide d’un diffractomètre à rayons X horizontal de type Thermo Electron ARL’XTRA équipé d’un détecteur solide Si (Li) à anticathode Cu. 

Mesure de la surface spécifique externe 

La fraction < 2 µm développe une surface spécifique élevée qui interagit fortement avec l’eau. On distingue généralement (i) la surface spécifique externe qui correspond à la surface enveloppe de particules élémentaires et qui ne prend par conséquent pas en compte la surface développée par l’espace interfoliaire (surface interne) des minéraux argileux lorsque celui-ci est accessible aux molécules d’eau, (ii) et la surface spécifique totale qui correspond à la somme des surfaces spécifiques externe et interne. La surface spécifique externe a été déterminée pour la fraction < 2 mm séchée à 105 °C des 12 échantillons sélectionnés pour l’étude de la minéralogie de la fraction argile. La méthode utilisée a été la méthode BET (Fripiat et al., 1971) (Figure 2.5). Le principe de cette méthode consiste à recouvrir la surface externe développée par les particules du sol d’une monocouche de molécules d’azote par adsorption à la température de l’azote liquide. La détermination de la surface externe utilise par conséquent l’isotherme d’adsorption d’azote qui permet de déterminer le volume de gaz adsorbé en une monocouche. Le volume de cette monocouche est calculé à l’aide de l’équation suivante : SABET = (CSA x Na x Vm) / (A x B) avec CSA : surface moléculaire de l’azote (nm²), VM : volume de la monocouche (cm3 /g), Na : nombre d’Avogadro (atomes/mol) = 6,023.1023 , A : volume STP de la mole d’azote = 22414 cm3 , B : facteur de conversion d’unité = 1018 nm²/m².