LES PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DU SOL

Texture, structure, porosité et circulation de l’eau : comprendre la mécanique invisible du sol vivant

Après avoir étudié la naissance des sols, leurs horizons et leur diversité à l’échelle mondiale, il faut maintenant entrer dans leur fonctionnement physique.

Un sol n’est pas simplement un mélange de particules minérales.

C’est une architecture tridimensionnelle composée de :

particules solides ;
agrégats ;
pores ;
eau ;
air ;
matière organique ;
racines ;
organismes vivants.

Cette architecture détermine directement la manière dont le sol :

reçoit l’eau ;
la stocke ;
la transmet ;
la restitue aux plantes ;
laisse circuler l’air ;
résiste à la compaction ;
permet aux racines de progresser.

Dans la Vision Omakëya™, ces propriétés constituent donc les paramètres physiques fondamentaux de l’ingénierie hydropédologique.

1. Le sol : un milieu triphasique

On peut commencer par une représentation extrêmement simple.

Un sol contient trois phases principales :

                 SOL                  │        ┌─────────┼─────────┐        ↓         ↓         ↓      SOLIDE     EAU       AIR        │         │         │ minéraux +   solution   atmosphère matière       du sol    du sol organique

La proportion de chacune de ces phases varie :

avec la texture ;
avec la structure ;
avec l’humidité ;
avec la compaction ;
avec la matière organique.

Un sol saturé peut contenir très peu d’air.

Un sol très sec contient davantage d’air dans ses pores.

Cette simple relation contrôle une grande partie de la biologie du sol.

2. Texture du sol

La texture décrit la proportion relative des différentes fractions granulométriques minérales.

On distingue principalement :

sable ;
limon ;
argile.

La texture est une propriété relativement stable à l’échelle humaine.

2.1. Le sable

Les particules sableuses sont relativement grandes.

Elles produisent généralement :

des macropores ;
une infiltration rapide ;
une faible cohésion ;
une faible capacité de rétention de l’eau par rapport aux particules fines.

Un sol sableux peut donc recevoir rapidement une pluie.

Mais l’eau peut également le traverser rapidement.

3. Le limon

Les limons occupent une position intermédiaire.

Ils peuvent contribuer à une bonne capacité de stockage de l’eau.

Mais les sols très limoneux peuvent être sensibles :

à la battance ;
à l’érosion ;
au tassement ;
à la dégradation structurale.

La présence de matière organique et une bonne couverture végétale sont donc particulièrement importantes.

4. L’argile

Les particules argileuses sont extrêmement fines.

Elles offrent une surface spécifique considérable.

Cela leur confère des propriétés importantes :

forte rétention d’eau ;
capacité d’échange cationique souvent importante selon les minéraux ;
cohésion ;
faible conductivité hydraulique lorsqu’elles sont très compactes ou mal structurées.

Mais attention :

un sol qui contient beaucoup d’eau n’est pas nécessairement un sol qui fournit beaucoup d’eau aux plantes.

Une partie de l’eau peut être retenue très fortement par la matrice du sol.

5. La texture ne suffit pas

Deux sols ayant exactement la même texture peuvent avoir des comportements radicalement différents.

Pourquoi ?

Parce que la texture ne décrit pas :

la structure ;
la matière organique ;
les agrégats ;
les macropores ;
la compaction ;
les fissures ;
les galeries biologiques.

On peut donc avoir :

Même texture     ↓structures différentes     ↓porosités différentes     ↓infiltrations différentes     ↓stocks d'eau différents

C’est l’une des idées fondamentales du Tome 7.

6. La structure

La structure du sol décrit la manière dont les particules minérales et organiques s’organisent en agrégats.

On peut rencontrer des structures :

grumeleuses ;
polyédriques ;
prismatiques ;
colonnaires ;
lamellaires ;
massives.

7. La structure grumeleuse

La structure grumeleuse est particulièrement intéressante pour les sols vivants.

Les agrégats sont stabilisés par :

matière organique ;
racines ;
hyphes fongiques ;
polysaccharides microbiens ;
organismes du sol.

Elle favorise généralement :

infiltration ;
aération ;
enracinement ;
stabilité structurale.

8. La matière organique comme architecte

La matière organique ne sert pas uniquement de réserve de carbone.

Elle participe à la construction de l’architecture du sol.

On peut représenter :

Matière organique       ↓Microorganismes       ↓Substances liantes       ↓Agrégats       ↓Porosité       ↓Infiltration + stockage

Les racines et les organismes du sol ajoutent également leurs propres structures.

9. Les racines : un réseau hydraulique naturel

Une racine qui traverse un sol crée un canal.

Après sa mort, ce canal peut devenir :

une macropore ;
une voie préférentielle d’infiltration ;
une voie d’exploration pour une nouvelle racine.

Le sol vivant possède donc une architecture dynamique.

La porosité n’est pas uniquement minérale : elle est aussi biologique.

10. Les vers de terre comme ingénieurs du sol

Les galeries de vers de terre peuvent modifier :

infiltration ;
drainage ;
aération ;
enracinement.

Dans certains sols, ces galeries peuvent constituer des voies préférentielles importantes pour l’eau.

Cela montre que la faune du sol participe directement à l’hydrologie.

11. La porosité

La porosité correspond à la fraction du volume du sol occupée par les espaces vides.

Ces espaces peuvent contenir :

air ;
eau.

On distingue notamment :

Macropores

Ils favorisent :

infiltration rapide ;
drainage ;
circulation de l’air.

Micropores

Ils jouent davantage un rôle dans :

stockage de l’eau ;
rétention capillaire.

12. Une architecture à deux fonctions

On peut simplifier :

MACROPORES     ↓ infiltration drainage oxygénationMICROPORES     ↓ stockage rétention alimentation progressive

Un sol fonctionnel a besoin des deux.

Trop de macropores :

→ l’eau peut s’évacuer trop rapidement.

Trop de micropores :

→ l’eau peut être fortement retenue et l’air devenir insuffisant.

13. La densité apparente

La densité apparente correspond au rapport entre la masse sèche du sol et son volume total, pores compris.

Elle est généralement exprimée en :

g/cm³ ou kg/m³.

Elle donne une information indirecte très importante sur l’état structural.

Un sol compacté possède généralement une densité apparente plus élevée.

14. Densité apparente et porosité

La densité apparente est liée à la porosité.

Pour un sol minéral, une approximation classique consiste à utiliser une densité des particules autour de 2,65 g/cm³.

La porosité totale peut alors être estimée par : n=1−ρsρb

avec :

n = porosité ;
ρb = densité apparente ;
ρs = densité des particules.

P=AF

P=FA=100 N2 m2=50 PaP=\frac{F}{A}=\frac{\text{100}\,\mathrm{N}}{\text{2}\,\mathrm{m}^2}=\text{50}\,\mathrm{Pa}P=AF=2m2100N=50Pa

FFF

AAA

m²

AAAFA

Donner un avis

Cette relation doit cependant être utilisée avec prudence lorsque le sol contient beaucoup de matière organique ou des matériaux particuliers.

15. La compaction

La compaction correspond à une diminution de la porosité, généralement accompagnée d’une augmentation de la densité apparente.

Elle peut être provoquée par :

engins agricoles ;
véhicules ;
piétinement ;
travaux ;
stockage de matériaux ;
passage répété ;
travail du sol dans de mauvaises conditions hydriques.

16. Pourquoi la compaction est-elle dangereuse ?

Elle peut réduire :

infiltration ;
diffusion de l’oxygène ;
enracinement ;
activité biologique ;
stockage accessible de l’eau.

Elle peut également favoriser :

ruissellement ;
stagnation ;
érosion.

Un cercle vicieux peut alors apparaître :

Compaction   ↓moins de pores   ↓moins d'infiltration   ↓plus de ruissellement   ↓érosion   ↓perte de sol

17. La compaction en profondeur

Il faut distinguer :

Compaction superficielle

Souvent liée au passage et au travail du sol.

Compaction profonde

Potentiellement beaucoup plus difficile à corriger.

Une couche compacte à 30–50 cm peut devenir une véritable barrière pour :

racines ;
eau ;
air.

Dans un projet d’arbre ou de forêt-jardin, cette information peut modifier complètement la stratégie de plantation.

18. La pierrosité

La pierrosité correspond à la proportion d’éléments grossiers présents dans le sol.

On peut trouver :

graviers ;
cailloux ;
pierres ;
blocs.

La pierrosité influence directement le volume de terre réellement disponible.

19. Pourquoi les cailloux ne sont pas nécessairement négatifs

Une forte charge en éléments grossiers peut :

réduire le volume de terre fine ;
diminuer certaines réserves en eau ;
compliquer le travail du sol.

Mais elle peut également :

favoriser le drainage ;
limiter certaines formes de compaction ;
créer des habitats ;
modifier le régime thermique.

Dans certains terroirs viticoles, les éléments grossiers jouent même un rôle important dans les échanges thermiques et hydriques.

Il faut donc raisonner en fonction du contexte.

20. La capacité au champ

La capacité au champ correspond à une teneur en eau du sol après drainage gravitaire relativement rapide suivant un épisode d’humectation, dans des conditions définies.

Elle représente approximativement l’état dans lequel :

les macropores sont largement vidés ;
une partie importante des pores reste remplie d’eau.

La valeur dépend :

de la texture ;
de la structure ;
de la matière organique ;
de la profondeur ;
de la méthode de mesure.

Elle est souvent exprimée en :

fraction volumique ;
% volumique ;
mm d’eau par unité de profondeur.

21. Le point de flétrissement permanent

Le point de flétrissement permanent correspond conventionnellement à une teneur en eau à laquelle une plante de référence ne parvient plus à extraire suffisamment d’eau pour éviter un flétrissement persistant.

Il est généralement associé à un potentiel hydrique conventionnel d’environ :

−1,5 MPa

pour la définition classique utilisée en pédologie/agronomie.

Mais cette valeur n’est pas une frontière biologique universelle.

Les plantes diffèrent fortement dans leur capacité à extraire l’eau.

22. La réserve utile

La réserve utile (RU) représente approximativement la quantité d’eau du sol disponible pour les plantes entre une limite supérieure proche de la capacité au champ et une limite inférieure proche du point de flétrissement.

On peut la représenter simplement par : RU≈θCC−θPF

pour une unité de volume de sol.

Pour une profondeur donnée : RUprofil≈(θCC−θPF)×Z

où Z représente la profondeur exploitable.

ρ=Vm

ρ=12 kg5 L=2,4 kg/L\rho=\frac{\text{12}\,\mathrm{kg}}{\text{5}\,\mathrm{L}}=\text{2,4}\,\mathrm{kg/L}ρ=5L12kg=2,4kg/L

mmm

VVV

Donner un avis

En pratique, il faut tenir compte des horizons successifs, de la pierrosité et de la profondeur réellement accessible aux racines.

23. La réserve utile n’est donc pas uniquement une propriété de la texture

Deux sols peuvent avoir une texture similaire mais une RU très différente.

Par exemple :

SOL ATexture similaire+profil profond+bonne structure+peu de cailloux        ↓RU élevéeSOL BTexture similaire+profil peu profond+forte pierrosité+compaction        ↓RU beaucoup plus faible

C’est pourquoi une simple analyse granulométrique est insuffisante pour dimensionner un système végétal.

24. La réserve facilement utilisable

Dans la pratique agronomique, on distingue souvent la réserve utile totale de la fraction que la plante peut exploiter sans subir un stress hydrique significatif.

Cette fraction dépend :

de l’espèce ;
de la profondeur racinaire ;
de la demande climatique ;
de la vitesse d’extraction ;
de la distribution de l’eau dans le profil.

Une plante adaptée à la sécheresse peut exploiter une partie de l’eau qu’une autre plante ne pourrait plus mobiliser.

25. La conductivité hydraulique

La conductivité hydraulique caractérise la capacité d’un milieu poreux à transmettre l’eau sous l’effet d’un gradient hydraulique.

Elle dépend fortement :

de la texture ;
de la structure ;
de la saturation ;
de la connectivité des pores ;
de la compaction ;
de la matière organique ;
des macropores biologiques.

26. Conductivité hydraulique saturée et non saturée

Il faut distinguer :

Conductivité hydraulique saturée

Le sol est pratiquement saturé en eau.

On note généralement : Ks

Conductivité hydraulique non saturée

Le sol contient simultanément de l’eau et de l’air.

La conductivité devient alors fortement dépendante de la teneur en eau ou du potentiel matriciel.

On peut avoir :

Sol très humideK élevée     ↓Dessèchement     ↓K diminue fortement     ↓Sol très secK très faible

Cette non-linéarité est fondamentale pour comprendre les sécheresses.

27. La loi de Darcy

Le déplacement de l’eau dans un milieu poreux est souvent décrit à partir de la loi de Darcy.

Sous une forme simplifiée : q=−Kdzdh

avec :

q = flux d’eau ;
K = conductivité hydraulique ;
h = charge hydraulique ;
z = coordonnée verticale.

Cette équation constitue l’une des bases de l’hydrologie des sols.

Elle sera approfondie dans le chapitre consacré à l’hydrologie du sol.

28. Pourquoi l’eau peut-elle circuler très vite dans certains sols ?

Un sol peut posséder des macropores continus :

surface  │  │  ↓  │  galerie racinaire  │  ↓  │  ↓profondeur

L’eau peut alors emprunter une voie préférentielle.

Cela peut produire des vitesses d’infiltration beaucoup plus importantes que celles prédites par une représentation homogène du sol.

Les sols vivants sont donc souvent hydrologiquement hétérogènes.

29. Le rôle des agrégats

Un agrégat peut être représenté comme une petite architecture :

     Agrégat ┌──────────────┐ │ minéraux     │ │ + matière    │ │ organique    │ │ + hyphes     │ │ + bactéries  │ └──────────────┘      ↕    pores

Entre les agrégats :

→ macropores.

À l’intérieur :

→ pores plus fins.

Cette organisation permet simultanément :

infiltration ;
stockage ;
respiration ;
circulation racinaire.

30. Sol compacté versus sol vivant

Sol compacté

Particules rapprochées↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓Peu de macropores↓↓Faible infiltration↓↓Peu d'air↓↓Racines limitées

Sol structuré biologiquement

Agrégats+racines+galeries+matière organique↓↓Réseau de pores↓↓Infiltration+stockage+aération↓↓Racines profondes

Cette comparaison constitue l’une des clés de l’hydrologie régénérative.

31. Pourquoi deux sols voisins peuvent stocker des quantités d’eau très différentes

C’est une question centrale de ce Tome 7.

Deux parcelles distantes de seulement quelques mètres peuvent différer par :

profondeur ;
texture ;
structure ;
pierrosité ;
matière organique ;
densité apparente ;
compaction ;
racines ;
activité biologique ;
nappe ;
relief.

On peut donc avoir :

Parcelle AProfondeur : 120 cmBonne structureFaible pierrositéRU élevéeParcelle BProfondeur : 40 cmCompactionForte pierrositéRU faible

Même sous la même pluie, leur comportement sera très différent.

32. Le triangle fondamental

On peut résumer une grande partie de la physique du sol par :

             TEXTURE                ▲               / \              /   \             /     \            /       \     STRUCTURE ─── POROSITÉ

Mais ce triangle doit être complété par :

TEXTURE   +STRUCTURE   +MATIÈRE ORGANIQUE   +BIOLOGIE   +PROFONDEUR   +PIERROSITÉ   +COMPACTION       ↓EAU + AIR + RACINES

33. De la pluie à la racine

Lorsqu’une pluie tombe sur un sol, plusieurs destins sont possibles.

                  PLUIE                    ↓             ┌──────┴──────┐             ↓             ↓        Ruissellement   Infiltration                           ↓                    ┌──────┴──────┐                    ↓             ↓                 Stockage      Percolation                    ↓             ↓                 Racines       Nappe                    ↓              Transpiration                    ↓               Atmosphère

La structure physique du sol contrôle fortement la répartition entre ces flux.

34. Le sol comme réservoir

On peut considérer le sol comme un réservoir distribué verticalement.

Chaque horizon possède :

un volume ;
une porosité ;
une capacité de stockage ;
une conductivité ;
une profondeur.

On peut donc construire un modèle :

Horizon A↓réservoir 1Horizon B↓réservoir 2Horizon C↓réservoir 3

L’eau passe de l’un à l’autre.

Cette représentation constitue une première étape vers un modèle hydrologique du sol.

35. Vers l’ingénierie Omakëya™

Pour concevoir un écosystème résilient, il faut donc mesurer au minimum :

Texture

→ composition granulométrique.

Structure

→ organisation des agrégats.

Densité apparente

→ état de compaction et volume de pores.

Porosité

→ architecture des vides.

Pierrosité

→ volume réellement disponible.

Capacité au champ

→ stockage après drainage.

Point de flétrissement

→ limite conventionnelle d’extraction.

Réserve utile

→ stock d’eau exploitable.

Conductivité hydraulique

→ vitesse potentielle de transmission de l’eau.

36. Tableau de synthèse

Propriété	Ce qu’elle décrit	Influence principale
Texture	sable/limon/argile	rétention et drainage
Structure	organisation des agrégats	infiltration et enracinement
Porosité	volume des vides	eau + air
Densité apparente	masse/volume total	compaction
Compaction	réduction des pores	infiltration + racines
Pierrosité	éléments grossiers	volume de sol fin
Capacité au champ	eau après drainage	stock hydrique
Point de flétrissement	eau très difficile à extraire	limite biologique
Réserve utile	eau potentiellement disponible	autonomie hydrique
Conductivité hydraulique	transmission de l’eau	infiltration/percolation

37. Le principe à retenir

Il faut abandonner une représentation trop simple du type :

« sol argileux = beaucoup d’eau »

ou :

« sol sableux = pas d’eau ».

La réalité est beaucoup plus complexe.

Un sol fonctionnel doit être considéré comme une architecture poreuse dynamique dans laquelle :

texture + structure + matière organique + biologie + profondeur + hydrologie

déterminent ensemble :

eau + air + racines + fertilité + résilience.

38. Conclusion — du sol physique au sol vivant

Nous avons maintenant les premiers paramètres permettant de transformer le sol en véritable objet d’ingénierie mesurable.

Mais une question demeure :

Qui construit et entretient cette architecture ?

La réponse est en grande partie :

le vivant.

Bactéries, champignons, mycorhizes, racines, vers de terre, collemboles, nématodes et autres organismes modifient continuellement :

les agrégats ;
les pores ;
la matière organique ;
la circulation de l’eau ;
la disponibilité des nutriments ;
la stabilité structurale.

Le chapitre suivant pourra donc franchir une étape majeure :

CHAPITRE 6 — L’EAU DANS LE SOL

Potentiel hydrique, succion, capillarité, rétention, infiltration et disponibilité de l’eau pour les plantes

Nous passerons alors de la simple question :

« Combien d’eau contient le sol ? »

à la question beaucoup plus importante :

« Avec quelle énergie l’eau est-elle retenue, comment circule-t-elle et dans quelle mesure une plante peut-elle réellement l’utiliser ? »