LA PHYSIQUE DE L’EAU DANS LE SOL

Capillarité, tension superficielle, forces matricielles, adhésion, cohésion et conductivité hydraulique : comprendre comment l’eau entre, circule, se stocke et devient disponible dans un sol vivant

L’eau est probablement le composé le plus important du fonctionnement d’un sol.

Elle permet :

la germination ;
la croissance des racines ;
les échanges ioniques ;
le transport des nutriments ;
l’activité microbienne ;
les réactions biochimiques ;
la photosynthèse ;
la régulation thermique ;
l’altération des minéraux ;
le fonctionnement des écosystèmes.

Pourtant, l’eau du sol n’est pas simplement une quantité exprimée en litres par mètre cube.

Elle est soumise simultanément à plusieurs forces physiques.

Elle peut :

être attirée par les surfaces minérales ;
être retenue dans les micropores ;
circuler dans les macropores ;
remonter par capillarité ;
s’écouler sous l’effet de la gravité ;
être absorbée par les racines ;
s’évaporer ;
être déplacée sous forme de vapeur.

La compréhension de ces mécanismes est donc fondamentale pour construire une véritable hydrologie régénérative.

1. L’eau du sol n’est jamais « simplement présente »

Dans un sol, l’eau peut occuper des espaces très différents.

On distingue notamment :

eau gravitaire ;
eau capillaire ;
eau fortement retenue ;
eau adsorbée ;
vapeur d’eau.

Une partie est facilement drainée.

Une autre reste disponible pour les plantes.

Une autre encore peut être physiquement présente mais pratiquement inaccessible aux racines.

On doit donc distinguer :

quantité totale d’eau
et
eau effectivement disponible.

2. Le sol comme réseau de pores

Un sol peut être imaginé comme un immense réseau tridimensionnel.

        SURFACE────────────────────────     ↓ pluie   ┌─────┐    ┌───┐   │ pore│────│   │   └──┬──┘    └─┬─┘      │           │   ┌──┴──┐     ┌──┴───┐   │     └─────┘      │   └──────────────────┘        RACINES

Les pores peuvent être :

très grands ;
intermédiaires ;
microscopiques.

Cette distribution détermine une grande partie du comportement hydrique du sol.

3. Macropores et micropores

Macropores

Ils permettent principalement :

infiltration rapide ;
drainage ;
circulation de l’air ;
transfert préférentiel de l’eau.

Micropores

Ils assurent davantage :

stockage ;
rétention ;
circulation lente ;
alimentation progressive.

On peut donc résumer :

macropores = circulation

micropores = stockage

Cette distinction est simplifiée mais extrêmement utile pour comprendre l’hydrologie des sols.

4. Pourquoi l’eau reste-t-elle dans le sol ?

Deux grandes familles de phénomènes interviennent :

Forces gravitaires

Elles tirent l’eau vers le bas.

Forces capillaires et matricielles

Elles attirent et retiennent l’eau dans les pores et contre les surfaces.

Le comportement final résulte de la compétition entre ces forces.

5. La cohésion

La cohésion correspond à l’attraction entre molécules d’eau.

Elle est principalement liée aux interactions entre molécules polaires.

La molécule d’eau possède une distribution asymétrique des charges électriques.

Cela permet des interactions importantes entre molécules.

La cohésion explique notamment pourquoi l’eau peut former des gouttes et supporter certaines contraintes de tension.

6. L’adhésion

L’adhésion correspond à l’attraction entre l’eau et une autre surface.

Dans le sol, cette surface peut être :

argile ;
limon ;
sable ;
matière organique ;
racine ;
paroi d’un pore.

L’eau peut donc adhérer fortement aux particules.

7. Cohésion + adhésion

Ces deux phénomènes sont fondamentaux.

PARTICULE DU SOL████████████████   ↑ adhésion ~~~~~~~~~~~~~~~ ~   EAU       ~ ~~~~~~~~~~~~~~~ molécules liées   ↑ cohésion

L’adhésion attire l’eau vers la surface.

La cohésion permet aux molécules d’eau de rester liées entre elles.

Ces interactions participent au fonctionnement capillaire.

8. La tension superficielle

À l’interface eau-air, les molécules d’eau sont soumises à des forces qui ne se compensent pas de la même manière qu’au sein du liquide.

Il en résulte une tension superficielle.

Cette propriété permet notamment :

formation de gouttes ;
maintien de surfaces courbes ;
phénomènes capillaires ;
interaction avec les interfaces air-eau-sol.

La tension superficielle est donc une propriété fondamentale pour comprendre l’eau dans les petits pores.

9. Le ménisque

Lorsqu’un liquide est en contact avec une paroi, sa surface peut se courber.

Dans un tube fin, on observe un ménisque.

Dans le sol, les pores constituent une multitude de géométries complexes.

L’eau forme donc des interfaces courbes dans le réseau poreux.

Ces interfaces génèrent des différences de pression.

10. La capillarité

La capillarité est la capacité d’un liquide à se déplacer dans des espaces fins sous l’effet combiné :

de l’adhésion ;
de la cohésion ;
de la tension superficielle ;
de la géométrie du pore.

Dans un tube capillaire idéal, la hauteur de remontée est approximativement inversement proportionnelle au rayon du tube. h∝r1

Donc :

petit pore → remontée potentiellement importante

grand pore → remontée faible

11. Pourquoi l’eau peut-elle remonter ?

La gravité s’oppose à la remontée.

La force capillaire la favorise.

Lorsque les forces capillaires dominent :

        EAU        ↑        ↑        ↑     ┌──┴──┐     │     │     │ sol │     │     │─────┴─────┴────

L’eau peut remonter au-dessus de la nappe ou d’une zone humide.

12. Mais un sol n’est pas un tube

Attention à une simplification fréquente.

Un sol réel n’est pas constitué de tubes cylindriques réguliers.

Il contient :

pores connectés ;
pores isolés ;
étranglements ;
agrégats ;
fissures ;
galeries biologiques ;
interfaces racines-sol.

La capillarité réelle est donc beaucoup plus complexe.

13. Les forces matricielles

Le terme matriciel désigne ici l’ensemble des interactions entre l’eau et la matrice solide du sol.

Elles résultent notamment :

de l’adhésion ;
de la capillarité ;
des surfaces minérales ;
de la géométrie des pores.

On parle de potentiel matriciel ou de pression matricielle selon le cadre théorique utilisé.

14. Le potentiel de l’eau

Pour comprendre le déplacement de l’eau, il est plus rigoureux de raisonner en termes de potentiel hydrique.

L’eau se déplace globalement des zones de potentiel hydrique plus élevé vers les zones de potentiel hydrique plus faible.

Le potentiel total peut être décomposé en plusieurs composantes : Ψ=Ψg+Ψm+Ψp+Ψs

selon le système étudié :

Ψg : potentiel gravitationnel ;
Ψm : potentiel matriciel ;
Ψp : potentiel de pression ;
Ψs : potentiel osmotique.

Cette approche permet de relier la physique du sol à la physiologie végétale.

15. La gravité

Le potentiel gravitationnel augmente avec l’altitude.

La gravité tend donc à faire descendre l’eau.

Dans un sol horizontal :

EAU↓↓↓GRAVITÉ

Mais cette tendance peut être contrecarrée par :

capillarité ;
pression ;
succion racinaire ;
gradients hydriques.

16. Le potentiel matriciel

Lorsque le sol sèche, l’eau restante est retenue plus fortement par la matrice.

Le potentiel matriciel devient alors plus négatif.

La plante doit fournir davantage d’énergie pour extraire l’eau.

C’est l’une des raisons pour lesquelles :

un sol peut encore contenir de l’eau tout en étant hydriquement difficile pour la plante.

17. Eau totale ≠ eau disponible

C’est une distinction centrale en agroclimatologie.

Imaginez deux sols contenant chacun 20 % d’eau volumique.

Le comportement peut être totalement différent.

Sol A

Une grande partie de cette eau est facilement accessible.

Sol B

Une grande partie est retenue très fortement.

La teneur en eau seule ne suffit donc pas à caractériser le confort hydrique d’une plante.

18. La capacité au champ

Après une saturation suivie d’un drainage libre, le sol atteint approximativement un état appelé :

capacité au champ.

Elle représente une teneur en eau conventionnelle dépendant du sol et de la méthode utilisée.

Elle n’est pas une constante universelle.

Elle dépend notamment :

texture ;
structure ;
profondeur ;
drainage ;
historique hydrique.

19. Le point de flétrissement

Lorsque le potentiel hydrique devient suffisamment faible, de nombreuses plantes ne peuvent plus extraire suffisamment d’eau pour maintenir leur fonctionnement.

On définit alors conventionnellement un :

point de flétrissement permanent.

Là encore, il s’agit d’une approximation dépendant notamment de l’espèce végétale et des conditions.

20. La réserve utile

Une approximation classique est : RU≈θCC−θPFP

où :

θCC = teneur en eau à la capacité au champ ;
θPFP = teneur en eau au point de flétrissement permanent.

Cette réserve est essentielle pour l’agroclimatologie.

Elle permet d’estimer combien d’eau un sol peut mettre progressivement à disposition des plantes.

21. La réserve facilement utilisable

La plante n’utilise pas nécessairement toute la réserve utile avec le même confort.

On peut donc distinguer une fraction facilement accessible.

Cette notion est particulièrement importante pour :

irrigation ;
maraîchage ;
vergers ;
cultures sensibles ;
dimensionnement hydrique.

22. Texture et capillarité

La texture joue un rôle majeur.

Sol sableux

gros pores ;
drainage rapide ;
faible remontée capillaire ;
stockage limité.

Sol argileux

nombreux pores fins ;
forte rétention ;
remontée capillaire potentiellement importante ;
conductivité pouvant devenir faible lorsque le sol est très sec.

Sol limoneux

comportement intermédiaire mais souvent complexe ;
forte sensibilité à la battance et à la dégradation structurale.

23. Le paradoxe de l’argile

Un sol argileux peut contenir beaucoup d’eau mais en rendre une partie difficilement accessible.

Cela paraît paradoxal.

Pourtant :

BEAUCOUP D'EAU      ≠EAU FACILEMENT DISPONIBLE

C’est précisément pourquoi la physique de l’eau doit être intégrée à la pédologie.

24. Le rôle de la structure

Deux sols ayant une texture identique peuvent avoir des comportements hydriques très différents.

Pourquoi ?

Parce que la structure modifie :

distribution des pores ;
connectivité ;
infiltration ;
drainage ;
stockage ;
aération.

Ainsi :

texture ≠ structure.

25. Le rôle de la matière organique

La matière organique influence notamment :

agrégation ;
porosité ;
rétention d’eau ;
stabilité structurale ;
activité biologique.

Mais il faut éviter l’idée simpliste :

« plus de matière organique = toujours plus d’eau disponible ».

L’effet dépend :

de la nature de la matière organique ;
de sa localisation ;
de la texture ;
de la structure ;
du climat ;
de la profondeur.

26. La conductivité hydraulique

La conductivité hydraulique mesure la facilité avec laquelle l’eau circule dans le milieu poreux sous un gradient hydraulique donné.

Elle est généralement notée : K

Elle dépend notamment :

de la texture ;
de la structure ;
de la teneur en eau ;
de la connectivité des pores ;
de la température ;
de la viscosité de l’eau.

27. La loi de Darcy

La circulation de l’eau dans un milieu poreux est classiquement décrite, dans de nombreuses situations, par la loi de Darcy : q=−Kdldh

où :

q = flux d’eau ;
K = conductivité hydraulique ;
h = charge hydraulique ;
l = direction de l’écoulement.

Le signe négatif traduit le déplacement vers les charges hydrauliques décroissantes.

28. La conductivité n’est pas constante

C’est une notion fondamentale.

Pour un sol non saturé : K=K(θ)

La conductivité hydraulique dépend fortement de la teneur en eau.

Lorsque le sol sèche :

les pores remplis d’eau deviennent moins nombreux et moins bien connectés.

La conductivité peut alors diminuer de plusieurs ordres de grandeur.

29. Sol saturé

Lorsque tous les pores sont remplis d’eau :

████████████████████ EAU ███████████████████████

La conductivité hydraulique à saturation est souvent notée : Ks

Elle constitue une caractéristique importante du sol.

30. Sol non saturé

Lorsque l’air pénètre dans les pores :

██████████████████ EAU ██ AIR ██████ AIR ███████

Les chemins de circulation de l’eau deviennent progressivement plus complexes.

La conductivité diminue.

31. Le rôle de la taille des pores

Les grands pores conduisent généralement beaucoup plus facilement l’eau.

Les petits pores retiennent davantage l’eau.

On obtient donc une opposition fondamentale :

les pores qui drainent facilement ne sont pas nécessairement ceux qui stockent le mieux l’eau.

Un sol performant doit présenter une distribution de pores permettant à la fois :

infiltration ;
stockage ;
drainage ;
aération ;
alimentation racinaire.

32. La courbe de rétention d’eau

Une des représentations essentielles de la physique des sols est la courbe de rétention hydrique.

Elle relie généralement :

teneur en eau ;
potentiel matriciel ou pression de succion.

Conceptuellement :

Teneur en eau↑│████████│       ███│          ██│            █│              █└──────────────────→ succion

Elle décrit comment l’eau est progressivement retirée du sol.

33. La courbe caractéristique du sol

Cette courbe permet de comprendre :

capacité au champ ;
réserve utile ;
point de flétrissement ;
comportement lors du séchage ;
disponibilité de l’eau.

Elle constitue donc un outil fondamental du dimensionnement hydrique.

34. L’hystérésis

Le comportement hydrique du sol n’est pas toujours identique pendant :

le séchage ;
le réhumidification.

La relation entre teneur en eau et potentiel matriciel peut présenter une hystérésis.

Elle dépend notamment :

de la géométrie des pores ;
des phénomènes de piégeage d’air ;
de l’histoire hydrique du sol.

35. Les chemins préférentiels

L’eau ne circule pas toujours uniformément.

Elle peut emprunter :

galeries de lombrics ;
fissures ;
anciennes racines ;
macropores ;
interfaces structurales.

On parle de :

flux préférentiels.

36. Les lombrics et l’hydrologie

Les galeries des lombrics peuvent devenir des voies rapides d’infiltration.

On retrouve ici le lien entre les chapitres précédents :

faune

↓

bioturbation

↓

structure

↓

macropores

↓

infiltration

↓

hydrologie.

37. Les racines

Les racines créent elles aussi des voies hydrauliques.

Après leur mort, elles peuvent laisser des canaux.

Lorsqu’elles sont vivantes, elles modifient :

structure ;
humidité ;
potentiel hydrique ;
activité microbienne.

Les racines sont donc à la fois :

consommatrices d’eau et architectes du réseau hydraulique.

38. L’infiltration

Lorsqu’une pluie atteint le sol, plusieurs phénomènes se produisent simultanément :

             PLUIE               ↓       ┌───────┴───────┐       ↓               ↓ infiltration      ruissellement       ↓   stockage       ↓ circulation       ↓ drainage       ↓ nappe

La quantité infiltrée dépend notamment de :

intensité de pluie ;
conductivité ;
état initial d’humidité ;
structure ;
couverture ;
pente ;
macroporosité.

39. Pourquoi un sol vivant infiltre-t-il mieux ?

Il ne faut pas dire systématiquement :

« sol vivant = infiltration maximale ».

Il faut plutôt rechercher :

structure stable ;
macroporosité fonctionnelle ;
couverture ;
agrégation ;
absence de compaction excessive ;
continuité des pores.

Le vivant contribue à maintenir ces caractéristiques.

40. La couverture végétale

La végétation modifie l’eau avant même son arrivée au sol.

Elle :

intercepte la pluie ;
ralentit les gouttes ;
réduit l’énergie d’impact ;
favorise l’infiltration ;
limite la battance ;
prélève de l’eau ;
restitue de l’eau par transpiration.

41. La litière

La litière agit comme une interface hydrologique.

Elle :

ralentit l’eau ;
absorbe temporairement ;
protège la surface ;
réduit l’évaporation directe ;
nourrit la faune et les microorganismes.

Elle constitue donc une véritable couche hydrologique biologique.

42. La tension superficielle et les racines

À l’échelle microscopique, les interfaces eau-air-sol jouent un rôle essentiel dans la distribution de l’eau autour des racines.

Lorsque le sol sèche :

les films d’eau s’amincissent ;
la continuité hydraulique diminue ;
le transport vers la racine devient plus difficile.

La plante peut alors subir un stress hydrique avant même que le sol soit totalement sec.

43. Le continuum sol–plante–atmosphère

C’est l’un des concepts les plus importants de l’agroclimatologie.

L’eau suit un continuum :

SOL ↓RACINE ↓Xylème ↓FEUILLE ↓ATMOSPHÈRE

Le déplacement est contrôlé par les gradients de potentiel hydrique.

On parle du continuum sol-plante-atmosphère.

44. La transpiration comme moteur

L’évaporation de l’eau au niveau des feuilles crée une tension dans le système conducteur.

Cette tension contribue à tirer l’eau depuis les racines vers les parties aériennes.

On obtient :

atmosphère → feuille → xylème → racine → sol.

C’est l’un des grands moteurs hydrologiques du végétal.

45. Le sol vivant comme réservoir dynamique

Un sol ne doit donc pas être considéré comme une simple cuve.

C’est un :

réservoir dynamique couplé à un réseau hydraulique, biologique et énergétique.

Il stocke l’eau.

Mais il la :

reçoit ;
redistribue ;
filtre ;
transmet ;
fournit aux racines ;
restitue à l’atmosphère.

46. Vers l’hydrologie régénérative

La conséquence pour la Vision Omakëya™ est majeure.

L’objectif n’est pas simplement :

« mettre davantage d’eau dans le sol ».

Il faut construire un système capable de :

capter

la pluie ;

infiltrer

l’eau ;

stocker

une partie ;

redistribuer

par capillarité ;

alimenter

les racines ;

protéger

contre l’évaporation ;

restituer

progressivement à l’atmosphère.

47. Le modèle Omakëya™ de l’eau dans le sol

On peut formaliser le système ainsi :

                 PLUIE                   ↓              INTERCEPTION                   ↓              INFILTRATION                   ↓        ┌──────────┴──────────┐        ↓                     ↓   MACROPORES             MICROPORES        ↓                     ↓  DRAINAGE RAPIDE        STOCKAGE        ↓                     ↓       NAPPE              CAPILLARITÉ                              ↓                           RACINES                              ↓                           PLANTES                              ↓                      ÉVAPOTRANSPIRATION                              ↓                         ATMOSPHÈRE

À cela s’ajoutent :

ruissellement ;
évaporation ;
flux préférentiels ;
drainage profond ;
remontée capillaire.

48. Les paramètres fondamentaux à mesurer

Pour un diagnostic hydropédologique complet, il devient pertinent de mesurer ou d’estimer :

Physique

texture ;
structure ;
densité apparente ;
porosité ;
teneur en eau.

Hydraulique

conductivité hydraulique saturée ;
conductivité non saturée si nécessaire ;
infiltration ;
courbe de rétention.

Biologique

activité racinaire ;
galeries ;
biomasse microbienne ;
matière organique ;
activité de la faune.

Climatique

pluie ;
température ;
humidité de l’air ;
évapotranspiration ;
rayonnement.

49. Vers un modèle numérique

Ces paramètres peuvent ensuite alimenter un modèle.

Entrées

pluie ;
température ;
rayonnement ;
texture ;
structure ;
teneur initiale en eau ;
végétation ;
profondeur du sol.

Paramètres

K(θ) ;
courbe de rétention ;
profondeur racinaire ;
capacité de stockage.

Sorties

infiltration ;
ruissellement ;
drainage ;
teneur en eau ;
disponibilité hydrique ;
stress hydrique ;
évapotranspiration.

Nous passons alors de la description du sol à sa modélisation physique.

50. L’eau ne se gère pas uniquement en surface

La gestion conventionnelle de l’eau cherche souvent à répondre à une question :

Combien d’eau apporter ?

L’hydrologie régénérative pose une question plus fondamentale :

Comment faire en sorte que chaque millimètre de pluie soit utilisé au mieux par l’écosystème ?

Cela implique de comprendre :

la capillarité ;
la tension superficielle ;
l’adhésion ;
la cohésion ;
les forces matricielles ;
la gravité ;
la conductivité hydraulique ;
la structure poreuse ;
les racines ;
la faune ;
la matière organique ;
l’évapotranspiration.

Ainsi, la véritable unité de gestion n’est plus simplement le volume d’eau, mais le couplage sol–eau–plante–atmosphère.

Un sol résilient n’est pas celui qui contient le plus d’eau : c’est celui qui sait capter, stocker, déplacer et restituer l’eau au bon endroit, au bon moment et avec le minimum de pertes.