Brevet FR2977673A1 — publié le 20130111

PROCEDE DE DETERMINATION DES PARAMETRES HYDROSTRUCTURAUX D'UN SOL La présente invention appartient au domaine de la détermination des propriétés d'un milieu structuré complexe, et plus particulièrement au domaine des procédés de caractérisation des sols. Elle a pour objet un procédé de caractérisation quantitative d'un milieu naturel organisé tel qu'un sol à partir des courbes de retrait et de potentiel de l'eau établies simultanément sur un échantillon de ce sol, par rapprochement avec les équations physiques qui décrivent l'état hydrostructural de ce milieu en fonction de sa teneur en eau. Les paramètres thermodynamiques caractéristiques du sol étudié peuvent ainsi être déterminés. Déterminer la nature d'un sol et caractériser ses propriétés physiques en relation avec son utilisation agricole sont un enjeu majeur de nos sociétés contemporaines. Dans ce cadre, le régime de rétention et de transfert de l'eau dans le sol est un point crucial, qui ne peut être considéré indépendamment du système organisé complexe qu'est un sol. Ce système complexe varie et évolue au fil du temps, du fait des interactions entre ses composants (eau, air, phase solide, microflore) et avec les conditions exogènes, notamment les phénomènes climatiques. La prise en compte de la globalité du système sol-eau-air dans sa dynamique fonctionnelle et son évolution structurale apparaît comme une nécessité pour une gestion adéquate des ressources. Ainsi, la connaissance des propriétés physiques des sols est nécessaire à la modélisation agronomique et à une utilisation agricole appropriée. En particulier, le secteur industriel travaillant sur la mise au point de produits nouveaux en direction de l'agriculture et de l'environnement, aurait grand bénéfice à disposer d'un outil permettant de tester en laboratoire le comportement et le devenir de ces produits dans le sol de façon générique, sans avoir à répéter les expérimentations pour chaque type de sol rencontré. Ceci concerne les nouvelles molécules, les traitements biologiques et les procédés destinés par exemple à l'agriculture de précision ou à l'irrigation, mais aussi dans le domaine de l'environnement, à la dépollution des sols, à la séquestration du carbone, au transfert de pesticide, etc. A l'heure actuelle, la caractérisation des sols est principalement qualitative, car bâtie uniquement sur la description morphologique des organisations et l'étude des compostions minéralogiques. Il est impossible sur cette base de valider de façon générique le bon comportement d'un produit dans le sol, c'est-à-dire en tenant compte du type de sol, de ses propriétés intrinsèques et de sa dynamique hydrostructurale interne, en situation au champ sous une variabilité climatique donnée. De même, les laboratoires de biologie et d'écologie des sols qui conduisent des études nombreuses sur les organismes vivant dans le sol, ont en commun de ne pouvoir travailler qu'à partir de prélèvements de sol ramenés au laboratoire. Ces études ont pour objet soit la reconnaissance des organismes accompagnée d'une description et d'une caractérisation intrinsèque de ces organismes ou populations, soit l'élaboration d'un modèle dynamique de leur développement et de leur activités dans le sol. Or, dans les deux cas, les résultats dépendent fortement du type de sol ainsi que du régime pédoclimatique ou thermodynamique du milieu physique dans lequel l'objet d'étude a évolué. A l'heure actuelle, la caractérisation des propriétés physiques du sol en relation avec son utilisation agricole est réalisée par un petit nombre d'analyses, comme la mesure du potentiel de l'eau, la granulométrie, la masse volumique réelle et apparente, ou l'humidité. Ces analyses sont utilisées et interprétées pour estimer la réserve en eau du sol (d'après sa courbe des potentiels de l'eau), son comportement mécanique sous culture, ses qualités structurales (d'après la granulométrie, la porosité, la densité apparente). La mesure de la courbe de retrait, représentant la rétraction de l'organisation interne du sol en fonction de sa teneur en eau, est venue compléter cette liste pour apprécier notamment les réserves en eau, les volumes poraux fonctionnels et les états hydrostructuraux particuliers du sol (Braudeau, E., Sene M., and R. H.Mohtar ;. 2005 ; Eur. J. Soil Sci. 56 : 375-388). Cependant, il a été démontré que la caractérisation physique précise et fiable d'un sol nécessite d'établir les deux courbes caractéristiques dites d'humidité du sol, à savoir la courbe de potentiel de l'eau et la courbe de retrait (voir à ce sujet Braudeau et Mohtar, 2009, Global Planetary Change Journal, 67 : 51 - 61). La courbe de retrait représente le volume spécifique apparent de l'échantillon (V , exprimé en dm3 par kg de sol sec) en fonction de la teneur en eau gravimétrique (notée W et exprimée en kg d'eau par kg de sol sec). La courbe de potentiel de l'eau du sol représente le potentiel de l'eau du sol (noté h et exprimé en kPa) en fonction également de la teneur en eau W. Les courbes obtenues en laboratoire sont représentatives de l'évolution dans le temps du statut hydrique et structural (ou organisation hydrostructurale) de l'échantillon de sol durant son dessèchement. Cependant, les mesures sont réalisées indépendamment les unes des autres, dans des conditions diverses qui empêchent d'obtenir une image quantitative globale et cohérente du sol étudié, et ce d'autant plus que les interactions sont nombreuses et complexes, en particulier avec l'eau du sol dont le régime des transferts varie en fonction de la structure du sol. Ainsi, jusqu'à aujourd'hui, il n'existe pas au laboratoire comme sur le terrain, de typologie fonctionnelle du sol, c'est-à-dire une typologie reposant sur des caractéristiques physiques, mesurables, du milieu physique organisé sol-eau-air. De ce fait, il est impossible de prévoir l'impact des produits industriels sur le long terme, tout autant que de donner un mode d'emploi ou d'utilisation de ces produits qui tienne compte de la variété des sols et de leurs fonctionnement hydrostructural et pédoclimatiques. Il est aussi impossible d'étudier la relation dynamique bio-sol autrement que par une modélisation approximative et totalement empirique. Il existe donc un besoin dans différents domaines, de disposer d'outils prédictifs fiables et génériques, qui prennent en compte les différents types de sol et leur comportement lorsqu'ils sont soumis à une variabilité climatique donnée, notamment pour une gestion adéquate des ressources naturelles, ou des intrants et extrants d'un système de culture. Les demandeurs ont établi qu'il était possible de répondre aux besoins identifiés grâce au procédé objet de la présente invention, qui permet de caractériser totalement le système eau-sol à l'aide de paramètres thermodynamiques décrivant l'état d'équilibre de la structure du système sol-eau, à toutes teneurs en eau, ces paramètres étant obtenus dans des conditions définies, également objets de la présente invention. On sait que la pédostructure (volume élémentaire représentatif de la structure du sol) est un milieu tri-phasique ordonné solide-eau-air dont les particules solides communément 35 regroupées sous le terme de texture du sol (argile, limons, sables) constituent l'infrastructure organisée multi-échelle autour de laquelle se meuvent les phases liquides et gazeuses (Braudeau et al. 2009 ; Hydrology and Earth System Sciences Discussions, 1111-1163). L'espace microporal correspond à l'espace poral intra-agrégats primaires, l'espace macroporal correspondant à l'espace poral inter-agrégats primaires. Ces espaces sont le siège de transferts d'eau (ou d'air en absence d'eau), selon des dynamiques différentes, compte tenu des forces d'attraction physico-chimiques différentes dans les deux types de porosité. C'est pourquoi, on distingue l'eau dite "micro" et l'eau dite "macro", contenue respectivement dans la microporosité et dans la macroporosité. Ces teneurs en eau micro et macro sont des variables qui entrent systématiquement en jeu dans les processus de transferts et d'échange d'eau et de matières dans l'organisation hiérarchisée du sol (pédon, horizon, pédostructure, macroporosité, microporosité), et entre cette organisation et le monde biologique. En s'appuyant sur cette distinction, les demandeurs ont établi les équations physiques, fondées sur l'application de la thermodynamique au milieu organisé du sol, qui décrivent l'état hydrostructural de ce milieu en fonction de la teneur en eau W. Dans le procédé selon l'invention, on fait subir à des échantillons de sol un dessèchement régulier, de l'état saturé à l'état sec, et on suit expérimentalement la dynamique hydrostructurale du milieu sol (pédostructure) en relevant le potentiel de l'eau, le retrait volumique et le poids de l'échantillon au cours du temps, de façon à obtenir les deux courbes d'humidité du sol. Le dessèchement est suffisamment lent pour que l'on puisse considérer que l'état hydrostructural de l'échantillon, c'est-à-dire la répartition de l'eau dans la pédostructure, est à chaque instant la résultante de l'équilibre thermodynamique entre l'eau de la microporosité (W,n;) et l'eau de la macroporosité (W,na). On compare ensuite les courbes mesurées avec celles calculées à partir des équations thermodynamiques du système, pour en déduire les valeurs des paramètres caractéristiques décrivant totalement le système, à toutes teneurs en eau. En effet, selon les travaux des demandeurs, ces deux courbes sont les équations d'état de l'équilibre thermodynamique et hydrostructural du milieu organisé qu'est un sol. Ce sont les équations d'état de l'énergie libre de Gibbs spécifique de la pédostructure à l'équilibre :35 où e est l'énergie libre spécifique (rapportée à la masse structurale, masse de la phase solide composant la structure de la pédostructure), et " le volume apparent, W la teneur en eau spécifique et la teneur en air, spécifiques de la pédostructure. Les variables intensives sont : T la température absolue, P la pression externe, h le potentiel de l'eau du sol et ,.- le potentiel de l'air du sol. Les deux équations d'état dont il est question sont les coefficients ? = 1 et kl _ =1 de la différentielle totale d qui sont fonctions de la teneur en eau : est la courbe de retrait, et "1=' Ï est la courbe du potentiel de l'eau du sol. Elles sont utilisées dans le procédé selon l'invention, pour déterminer la nature du sol étudié et pour caractériser ses propriétés physiques en relation avec l'environnement et les facteurs externes (climat, utilisation agricole, etc.). Pour obtenir les courbes de retrait et de potentiel de l'eau, chacune de ces deux mesures est répétée au cours du dessèchement de l'échantillon, sur un laps de temps durant lequel l'échantillon passe de l'état humide à l'état sec. Les teneurs en eau micro et macro à l'équilibre sont à la fois les variables de l'équation de la courbe de retrait et celles de la courbe du potentiel de l'eau. Du fait de ce partage des variables de la teneur en eau micro et macro par les deux courbes, il est essentiel pour la validité des paramètres extraits que ces courbes soient mesurées sur le même échantillon et dans des conditions thermodynamiques identiques; pour que les références des variables soient les mêmes pour les deux courbes, par exemple, que l'axe des abscisses (la teneur en eau) soit le même. Or, les mesures réalisées sur un même prélèvement de sol, mais indépendamment l'une de l'autre, ne peuvent pas être considérées comme réalisées sur le même échantillon dans conditions identiques, sous peine d'entacher sérieusement la validité des résultats. Il est donc nécessaire, conformément au procédé selon l'invention, que les relevés des deux courbes soient réalisés simultanément pendant un cycle unique de déshydratation, sur un même échantillon représentatif de la structure matricielle de l'horizon de sol dans lequel il a été prélevé. De la sorte, certaines références comme la masse structurale de la pédostructure à laquelle sont rapportées toutes les variables de volumes et de teneur teneurs en eau (voir liste détaillée, à l'exemple 2), ou comme la quantité d'eau dans la micro et dans la macroporosité présente à l'état saturé de l'échantillon, sont strictement identiques pour les deux courbes. Ainsi, la présente invention a pour objet un procédé de caractérisation quantitative d'un milieu naturel organisé tel qu'un sol, dont la structure homogène de premier niveau est un assemblage de peds primaires (appelé pédostructure), lequel procédé comprend les étapes consistant essentiellement à : a) - prélever un échantillon dudit milieu naturel ; b) - saturer en eau l'échantillon ; c) - placer l'échantillon dans une enceinte à une température déterminée, apte à provoquer une dessiccation progressive, depuis l'état saturé jusqu'à l'état sec dudit échantillon, et effectuer : - une mesure de ses dimensions, - une mesure du potentiel de l'eau, et - une mesure de sa masse, lesdites mesures étant réalisées simultanément sur l'échantillon et répétées à intervalle de temps prédéterminé durant toute la durée de la dessiccation ; d) - tracer la courbe de retrait (V , w) et la courbe de potentiel de l'eau (h, VV) ; e) - analyser les courbes ( V , VV) et (h, VV) en vue de déterminer les paramètres caractérisant l'état d'équilibre thermodynamique dudit milieu structuré à toute teneur en eau. L'échantillon de sol qui est analysé est un volume représentatif de la pédostructure d'un horizon de sol. Il s'agit de la structure homogène du premier niveau d'organisation du milieu sol, à savoir l'assemblage des peds primaires. La pédostructure est donc la caractéristique fonctionnelle de base d'un horizon de sol, à laquelle il faut rajouter d'autres caractéristiques observées à des niveaux d'organisation supérieurs dans l'horizon, comme la pierrosité, l'architecture racinaire..., pour avoir les caractéristiques fonctionnelles de la structure globale de l'horizon de sol. Pour obtenir les courbes de retrait et de potentiel de l'eau, chacune de ces deux mesures est répétée au cours du dessèchement de l'échantillon, sur un laps de temps durant lequel l'échantillon passe de l'état humide à l'état sec. Les valeurs mesurées sont utilisées pour établir la courbe de retrait et la courbe du potentiel de l'eau desdits échantillons. Sont calculées la courbe de retrait V = f(W) et la courbe de potentiel h = f(W). Ces courbes vont ensuite être traitées à l'étape e), en vue de caractériser la structure du sol auquel l'échantillon appartient, ou plus généralement la structure du milieu dans lequel l'échantillon a été prélevé. Conformément à l'invention, l'échantillon prélevé à l'étape a), peut être un cylindre de sol non remanié ou un cylindre reconstitué à partir de sol effrité et tamisé. De manière commune, l'échantillon de sol est un cylindre (par exemple de 5x5cm). Si la présence de cailloux ou de racines est faible dans le milieu, de sorte que le prélèvement cylindrique peut se faire sans difficulté, l'analyse des échantillons de sol non remaniés, qui sont représentatifs de la pédostructure, sera privilégiée. Dans ce cas, sa structure est celle du sol en place. Si au contraire, le prélèvement au cylindre d'une carotte de sol est impossible, on utilisera des échantillons de sol à structure remaniée, fabriqués à partir du sol effrité et passé au tamis à maille carrée de 2 mm, qu'on appelle "la terre fine". L'analyse portera alors sur des échantillons de sol représentatifs de la pédostructure remaniée de l'horizon du sol dans lequel il a été prélevé. Dans l'un ou l'autre cas, l'échantillon de sol analysé peut être considéré comme un SREV (Structural Representative Elementary Volume) d'une pédostructure constitutive de l'organisation interne du sol étudié et dont on peut mesurer les variables nécessaires à l'établissement de leurs courbes caractéristiques d'humidité, à savoir la courbe de retrait et la courbe de potentiel de l'eau du sol. Ces deux courbes caractéristiques du fonctionnement hydrostructural du sol sont en fait les fonctions d'état de l'équilibre hydrostructural et thermodynamique de la pédostructure, soit respectivement, - V(W), le Volume spécifique apparent fonction de la teneur en eau à température et pression constantes, et - h(W), le Potentiel de l'eau fonction de la teneur en eau, aux mêmes conditions de température et de pression. La mesure simultanée sur un même échantillon et dans des conditions identiques des courbes de retrait et de potentiel, qui est une condition indispensable de la mise en ceuvre du procédé selon l'invention, peut être réalisée par tout moyen à la disposition de l'homme de l'art. Un mode particulier de mise en ceuvre du procédé qui fait l'objet de la présente invention repose sur l'utilisation d'un appareil pour l'analyse physique d'un sol en relation avec son statut hydrique, qui permet de réaliser de manière automatisée, sur un même échantillon à intervalles de temps réguliers et simultanément, les mesures en relation avec l'état hydrique de cet échantillon, à savoir le potentiel de l'eau et le retrait. Dans ce cas, à l'étape c), l'échantillon est placé à intervalle de temps prédéterminé dans une zone de mesure dans laquelle : - la mesure des dimensions de l'échantillon est réalisée par un système optique de mesure de la hauteur et du diamètre dudit échantillon. - la mesure du potentiel de l'eau dudit échantillon est réalisée à l'aide d'un tensiomètre à bougie poreuse, et - la mesure de la masse dudit échantillon est réalisée à l'aide d'une balance à plateau fixe, lesdites mesures étant mises en ceuvre simultanément lorsque l'échantillon est placé dans ladite zone de mesure. L'ensemble des moyens de mesure est regroupé dans la zone de mesure, c'est-à-dire à portée de l'échantillon. Les moyens de mesure de la masse des échantillons peuvent commodément être une balance, sur le plateau de laquelle le support et son échantillon seront déposés. Depuis cet emplacement les autres mesures seront réalisées. Les dimensions de l'échantillon peuvent être relevées par différentes méthodes connues de l'homme de l'art (par exemple par usage de capteurs d'élongation, de proximité, etc...). une méthode optique de mesure sans contact avec l'échantillon est préférée, par laquelle le diamètre et la hauteur de l'échantillon sont mesurés. Le volume est ensuite calculé, son évolution dans le temps correspondant à la valeur du retrait. la tension de l'eau peut être mesurée par un tensiomètre, d'un modèle disponible dans le commerce ou dans les laboratoires, tel que le mini-tensiomètre à bougie poreuse de 2 mm de diamètre par exemple. Un appareil a été conçu spécifiquement pour réaliser cette double mesure, qui fait également l'objet d'une demande de brevet. Un tel appareil comprend commodément : - une étuve thermostatée apte à contenir l'ensemble des moyens de mesure, - des moyens de pilotage des moyens de mesure, - des moyens de réception et de traitement des signaux mesurés, pour obtenir des données de mesures quantitatives, - des moyens d'enregistrement des données, de préférence au fur et à mesure de leur acquisition. L'appareil comprend également des moyens de traitement des données enregistrées pour chacun des échantillons au cours d'un unique cycle d'évaporation depuis l'état saturé jusqu'à l'état sec, et des moyens de calcul de la courbe de retrait et de la courbe du potentiel de l'eau desdits échantillons Les paramètres recherchés sont les paramètres des équations d'état thermodynamique : h») et V»)d'un volume découpé de sol représentatif (SREV) de la pédostructure, dans des conditions d'équilibre thermodynamique de l'échantillon, donc à température constante et pression atmosphérique constante. C'est pourquoi, selon une caractéristique du procédé objet de l'invention, à l'étape c), les mesures sont réalisées à température et pression constantes, de préférence à une température constante comprise entre 30° et 40°C et à pression atmosphérique ambiante. Avant d'établir les courbes de potentiel et de retrait à l'étape d) du procédé selon l'invention, il convient de déterminer la valeur de deux paramètres complémentaires, à savoir la masse structurale MS et le volume apparent de l'échantillon sec Vo, valeurs de référence qui sont nécessaires à la transformation des valeurs obtenues à l'issue des mesures réalisées à l'étape c) en courbes mesurées de retrait (V , W), de potentiel (h, W). Ces paramètres peuvent être soit mesurés directement, soit calculés à partir d'autres mesures. Selon une première variante particulière du procédé selon l'invention, les échantillons subissent des mesures complémentaires. Avant l'étape d), on mesure la masse structurale MS et le volume apparent de l'échantillon sec Vo, et on calcule son volume spécifique apparent à l'état sec Vo = VjMs . 30 Le volume apparent de l'échantillon sec, Vo, peut être mesuré de deux façons connues : soit par la méthode dite "au sachet" qui utilise le principe de la poussée d'Archimède dans l'eau ; soit en mesurant le diamètre et la hauteur au pied à coulisse si l'échantillon cylindrique est suffisamment régulier. 35 La valeur de fi, sert ensuite à calculer le volume apparent spécifique V. conformément à l'égalité suivante : V =Vo (DZHV(DoSj, où Do et Ho sont les valeurs relevées du diamètre et de la hauteur de l'échantillon à la fin de la dessiccation de l'étape c), et D et H sont les valeurs du diamètre et de la hauteur de l'échantillon relevées au temps t. La valeur de Ms sera quant à elle utilisée ensuite pour calculer la teneur en eau W à l'étape d). Elle sera obtenue par W = (M- MS VMs , où M est la masse de l'échantillon relevée au temps t au cours du dessèchement. En pratique, Ms est obtenue par mesure du poids de l'échantillon séché à l'étuve à 105°(mesure standard du poids de sol sec). 10 La masse sèchée à 105°C, MS sert de référence à toutes les variables d'organisation de la pédostructure et de l'horizon de sol (qui sont détaillées plus loin, Exemple 2). C'est donc une donnée très importante. Cependant, la présence de cailloux ou de racines fausse la référence à la pédostructure. Il faut donc casser l'échantillon et, si le cas se présente, 15 peser séparément les cailloux et autres éléments inertes (racines) trouvés dans l'échantillon. Une autre façon de procéder permet d'éviter ce problème. 20 Selon une seconde variante du procédé selon l'invention, on estime la masse sèche de la pédostructure de l'échantillon, c'est-à-dire la masse de solides sans les éventuels éléments grossiers (cailloux ...) et que l'on nommera Mps. Cette estimation se fait à partir de la mesure de la teneur en eau Wo, d'un prélèvement complémentaire du milieu naturel dont l'échantillon est originaire. Ce prélèvement peut provenir du sol voisin de celui dont 25 provient l'échantillon, ou bien il peut être constitué d'un morceau prélevé de l'échantillon desséché à la fin du cycle de mesure de l'étape c), c'est-à-dire à l'équilibre à la température de l'étuve. Le prélèvement est effritée, passé au tamis de 2 mm, et la terre fine qui en résulte est 30 pesée (P1) puis mise à sécher à l'étuve à 105°C (mesure classique de Wo=(P1-P105)/P105)- Cette mesure de Wo, qui est une caractéristique de la pédostructure, peut aussi être faite en parallèle sur un prélèvement de sol de 10 à 20 g de terre fine, prélevé en même temps que l'échantillon. Ainsi, Mo étant la masse de l'échantillon à la fin des mesures, la masse structurale estimée de la pédostructure de l'échantillon analysé sera : Mps = Mo/(Wo+1). 35 La teneur en eau Wo est une caractéristique physique de la pédostructure de l'échantillon c'est-à-dire de l'échantillon sans les cailloux ou racines éventuelles qui faussent la masse structurale de référence dans la variante précédente. Pour distinguer la masse structurale de la pédostructure estimée dans cette variante de la masse sèche Ms de la variante précédente, on l'appellera Mps. Ainsi MS Mps représente la masse des corps solides de diamètre supérieur à 2 mm dans l'échantillon. Mps remplace avantageusement Ms comme masse structurale de référence à laquelle rapporter tous les éléments volumiques de la pédostructure, notamment : W = (M- Mps )Mps et V = V/Mps . Quant au volume apparent de l'échantillon sec Vo, il est calculé dans cette variante par la relation Vo = zDô Ho /4 , où Do et Ho sont les valeurs du diamètre et de la hauteur du cylindre fournies à la fin de l'étape c). Dans cette variante, qui sera préférée, la seule donnée externe à fournir au calculateur pour qu'il délivre très précisément les deux courbes caractéristiques d'humidité de la pédostructure est donc Wo, la teneur en eau de la terre fine dans des conditions analogues à celles de l'étuve (généralement 30°C, Patm). Ainsi, dans un mode de réalisation alternatif et avantageux de la présente invention, avant l'étape d), on effectue un prélèvement complémentaire dudit milieu naturel qu'on tamise et qu'on sèche à ladite température déterminée, et on mesure la teneur en eau Wo du prélèvement tamisé et séché. Les teneurs en eau de l'échantillon qui sont calculées en d) seront dans ce cas rapportées à Mps: W = (M - Mps )Mps De ce fait, également selon une caractéristique avantageuse du procédé objet de l'invention, on calcule avant l'étape d), - la masse pédostructurale de l'échantillon Mps = Mo / Wo+1, où Mo est la masse de l'échantillon sec relevée à la fin de la dessiccation de l'étape c). - le volume spécifique apparent (ici volume pédostructural) V° = V°/Mps , où Vo est le volume apparent de l'échantillon sec relevé à la fin de la dessiccation de l'étape c)., calculé selon la formule V° = zD02HJ4 ; où Do et Ho sont les valeurs du diamètre et de la hauteur de l'échantillon relevées à la fin de l'étape c). Ce qui conduit dans ce cas au calcul des volumes spécifiques de l'échantillon par l'égalité V = 4 /MPs . Les courbes de retrait CR et de potentiel CP mesurées sont établies à l'aide des valeurs mesurées et calculées, comme expliqué , selon une méthode connue de l'homme de l'art. Il convient ensuite de les analyser, selon l'étape e) du procédé. Un logiciel spécifique extrait des courbes ( V , W) et (h, VV) considérées ensemble, les paramètres hydrostructuraux de la pédostructure du sol. On peut par exemple, de manière connue, utiliser une méthode d'ajustement de l'équation théorique de la courbe à la courbe mesurée (le solver de Excel par exemple, la méthode du simplex ou autres...). L'optimisation de l'ajustement consiste à faire varier les paramètres de façon à minimiser pour les deux courbes CR et CP, l'écart entre les courbes mesurées et théoriques. On aboutit toujours à une solution unique avec un ajustement excellent pour chaque courbe sur toute leur gamme de validité (de 0 à 60 kPa pour le tensiomètre et de l'état saturé à l'état sec pour la courbe de retrait). Ainsi, selon un mode de réalisation préféré du procédé objet de la présente invention, à l'étape e), l'analyse des courbes ( V , W) et (h, W) comprend au moins une opération d'ajustement des courbes mesurées avec les courbes théoriques, correspondant aux équations thermodynamiques du système en fonction de la teneur en eau W. Comme on le verra plus loin en détail, ces paramètres sont au nombre de 12 et suffisent à caractériser entièrement l'état d'équilibre hydrostructural de la pédostructure à toute teneur en eau. En toute rigueur, un treizième paramètre devrait intervenir, le terme Kre dont la mesure est très approximative, qu'on négligera en lui affectant une valeur nulle (Kre = 0). De préférence également, à l'étape e), lesdites équations thermodynamiques du système en fonction de la teneur en eau W sont exprimées pour l'état d'équilibre thermodynamique entre l'eau de la microporosité Wmi et l'eau de la macroporosité Wma. Les variables respectives de ces deux milieux sont indicées respectivement mi et ma. En effet, lorsque l'eau s'évapore de l'échantillon, placé à température et pression atmosphérique constantes, il passe lentement (en plusieurs jours) de l'état saturé à l'état sec. On considère que les courbes de retrait et de potentiel mesurées décrivent une suite d'états d'équilibre, où l'équilibre de potentiel entre l'eau micro interne aux peds primaires et l'eau macro à l'extérieur de ceux-ci est constamment respectée; ce qui se traduit par l'égalité suivante, à toute teneur en eau : 1, Yr t ,_. iii. Selon une caractéristique intéressante du procédé objet de l'invention, à l'étape e), la courbe théorique d'équation h(W) = G./W: - Gm;/Wm;sat ou h(W ) = Gma/Wmâ -Gma/Wmasat (1 ) est ajustée à la courbe du potentiel de l'eau mesurée, où - Wmisar est la teneur en eau de la microporosité à l'état saturé, - Wmasarest la teneur en eau de la macroporosité à l'état saturé, - G. est l'énergie libre spécifique de la pédostructure associée aux charges de surface des particules solides à la surface des peds primaires, en Joule / kg de sol sec, - G. est l'énergie libre spécifique de la pédostructure associée aux charges de surface des particules solides internes aux peds primaires, en Joule / kg de sol sec. Cette expression découle de la formulation des équilibres entre la phase microporeuse et macroporeuse. Sachant que ma(I'V a) et mz s'écrivent comme : (2) (3) et à l'équilibre . ' - i?.... ~ i"?...~. (4) (5) (6) Les équations (2) et (3) donnent exactement le même résultat (d'après 1), si les équations (4) et (5) sont utilisées comme variables pour Wma et Wm; respectivement. Le potentiel h(W) s'exprime donc de deux manières équivalentes : soit par les équations (2) et (4), soit par les équations (3) et (5). La courbe de potentiel de l'eau mesurée, h(W) est complètement déterminée par les quatre paramètres caractéristiques de la r , pédostructure . : , "V«?, a ; r =,. et ~F Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, à l'étape e), on extrait les paramètres de la courbe de potentiel mesurée (h, W), en utilisant une méthode d'ajustement de l'équation théorique (1) à la courbe de potentiel mesurée. En effet, la modélisation physique de la courbe de potentiel de l'eau du sol est déterminée par quatre paramètres caractéristiques de la pédostructure. La courbe de potentiel h(W) mesurée est entièrement déterminée par les caractéristiques suivantes de la pédostructure : Wmisat, Wmasat, G. et G.. Il n'y a aucune difficulté à extraire ces paramètres des courbes de potentiel mesurées en utilisant une méthode d'ajustement de l'équation théorique de la courbe à la courbe mesurée (le solver de Excel par exemple, la méthode du simplex ou autres...). L'optimisation de l'ajustement qui consiste à faire varier les paramètres de façon à minimiser l'écart entre les deux courbes aboutit toujours à une solution unique avec un ajustement excellent sur toute la gamme de validité du tensiomètre (généralement de 0 à 60 kPa) Selon une autre caractéristique intéressante du procédé objet de l'invention à l'étape e), la courbe théorique d'équation V(W) soit : f! ))T _ Fl5`.l . (7) est ajustée à la courbe de retrait mesurée, où - Kre, Kbs, Kst and Kp sont les pentes aux points d'inflexion de la courbe de retrait correspondant respectivement aux phases de retrait résiduelle, basique, structurale et interpédique (voir Braudeau, Frangi et Mohtar, 2004; Soil Sci. Soc. Am. J. 68: 359-370), - wre est la teneur en eau résiduelle interne aux peds primaires (microporosité), - wip est la teneur en eau interpédique externe aux peds primaires (macroporosité), -,. ,-.É est la teneur en eau de la microporosité à l'équilibre, est la teneur en eau de la macroporosité à l'équilibre, et - Vo est le volume spécifique apparent à l'état sec. Les types d'eau (wrei wbs et wst w;p) sont, deux à deux, les teneurs en eau de la micro et macro porosité (we + w _ {f'= } et , respectivement : A (8) $â` = (11,i (9) Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, à l'étape e), on extrait les paramètres de la courbe de retrait mesurée (V , W), en utilisant une méthode d'ajustement simultané des équations théoriques (1) et (7) aux courbes du potentiel de l'eau et du retrait mesurées. On remarque que la démarche suivie définit la suite des états d'équilibre des eaux micro et macro de la pédostructure. Nous avons vu que la courbe de retrait (équation (7)) s'écrit en fonction de Wm; et Wma dont les valeurs d'équilibre fonctions de W sont déterminées par la courbe de potentiel de l'eau h(W) mesurée que l'on peut calculer par un groupe de 3 équations (1, 2, 4 ou 1, 3, 5) (comme démontré précédemment). La modélisation physique de la courbe de retrait dépend de l'équation d'équilibre des eaux de la microporosité et de la macroporosité, déterminée par la courbe de potentiel. Il est donc possible de la modéliser physiquement si l'on connaît les paramètres de la courbe de potentiel caractéristique de l'échantillon correspondant, ce que permet le procédé objet de la présente invention. Au total, la liste complète des paramètres recherchés est : 4A;~ .3.~ 14';,,25 f_ ,r. ; ~.... and ..::t. Ce sont les treize paramètres des équations 7 ; 8 ; 9 ; 2 ou 3 et 4 ou 5 (en allant de gauche à droite). En négligeant le terme Kre (Kre =0) dont la mesure est très approximative, on a affaire à douze paramètres caractéristiques de l'interaction entre l'eau et la structure agrégée du sol dans laquelle se distinguent nécessairement deux milieux poreux de propriétés différentes : le milieu microporal, formé du plasma argileux, gonflant, constituant les agrégats primaires ; et le milieu macroporal, inter-agrégats, donc externe au plasma argileux, moins gonflant. Enfin, on précise que le procédé objet de la présente invention comprend au moins une étape consistant à enregistrer les paramètres physiques obtenus à l'étape e) dans une base de données. Le procédé que nous venons de décrire est une pièce maîtresse d'une nouvelle méthodologie de caractérisation et modélisation hydrostructurale des sols. La réalisation de la mesure couplée des deux courbes caractéristiques d'humidité du sol, que sont les courbes de retrait et du potentiel de l'eau, est une condition essentielle pour pouvoir appliquer les équations physiques établies par les demandeurs à la caractérisation et à la modélisation hydrostructurale des sols, selon le procédé revendiqué ici. Les perspectives ouvertes sont très largement étendues dans tout le domaine des sciences agroenvironnementales grâce aux couplages désormais rendus possibles entre les modèles physiques des différentes disciplines et le système organisé du sol: cartographie systémique des organisations de sols, caractérisation et modélisation hydrostructurale du pédon représentatif, et modélisation des relations BIO-SOL d'échange thermodynamique de l'activité biologique avec la dynamique hydrostructurale du sol. La présente invention sera mieux comprise, et des détails en relevant apparaîtront, grâce à la description qui va être faite d'une de ses variantes de réalisation, en relation avec la figure 1 annexée qui représente les courbes de retrait CR et de potentiel CP d'un échantillon de sol, modélisées par le procédé selon l'invention. EXEMPLE 1 Caractérisation d'un sol par ses paramètres physiques 1 °) Préparation de l'échantillon avant la mise dans l'appareil Un échantillon de sol a été prélevé au cylindre. Il s'agit d'une carotte de taille standard pour l'analyse des propriétés physiques au laboratoire, soit un cylindre de 100 cm3 (diamètre x hauteur, DxH = 5x5 cm). L'échantillon non remanié est mis sur un plan de sable humide pour être saturé en eau à une tension proche de zéro (hauteur d'eau h = -2 cm) pendant au moins 4h. 2°) Réalisation des mesures 15 L'échantillon saturé en eau est placé dans une enceinte à une température fixée à 30°C, sous pression atmosphérique (1 bar environ), de façon à provoquer une dessiccation progressive, depuis l'état saturé jusqu'à l'état sec dudit échantillon. On effectue, à intervalle de 10 minutes : 20 - une mesure de ses dimensions, - une mesure du potentiel de l'eau, et - une mesure de sa masse. La mesure de la masse est effectuée par une balance à plateau fixe, sur le plateau de 25 laquelle le support et son échantillon seront déposés. Depuis cet emplacement les autres mesures sont réalisées. L'évolution des dimensions de l'échantillon est suivie par une méthode optique de mesure sans contact avec l'échantillon. Le diamètre et la hauteur de l'échantillon sont mesurés. Le diamètre de 30 l'échantillon est relevé par deux capteurs à barrière laser placés de part et d'autre de l'échantillon lorsque celui-ci se trouve sur la balance. Un capteur laser sans contact placé à l'aplomb de la zone de mesure, qui émet un faisceau lumineux vers une pastille posée à plat sur l'échantillon et détecte le faisceau réfléchi, détermine par triangulation l'éloignement de ladite pastille. Le volume est ensuite calculé. 17 35 La tension de l'eau est mesurée par un tensiomètre à bougie poreuse. La bougie poreuse est enfoncée au centre de l'échantillon. Un tube capillaire, généralement en matière plastique souple, la relie à un manomètre un capteur de pression à membrane placé dans une chambre en relation avec le tube capillaire. La déformation de la membrane, proportionnelle à la pression exercée dans la chambre par le fluide, est mesurée. Rapportée à une abaque des pressions connues, elle permet d'obtenir des valeurs du potentiel de l'eau de l'échantillon. Les mesures s'effectuent à intervalle régulier de 10 minutes environ pendant la durée de la dessiccation à température constante, de l'état saturé à l'état sec. La dessiccation est suivie sur un écran de contrôle, et dure plusieurs jours (de 2 à 5 jours dépendant du type de sol). Avant d'établir les courbes de potentiel et de retrait, la valeur des deux paramètres complémentaires, à savoir la masse structurale MS et le volume apparent de l'échantillon sec Vo, sont établies, par une des méthodes exposées plus haut. Puis, les courbes mesurées de retrait (V , W) ou CR, et de potentiel (h, W) ou CP sont tracées. 3°) Ajustement des courbes Les courbes CR et CP sont analysées, par ajustement simultané de l'équation théorique de la courbe à la courbe mesurée, ceci pour chacune des courbes CR et CP. La méthode d'ajustement de l'équation théorique de la courbe à la courbe mesurée qui a été utilisée est la méthode du simplex. L'optimisation de l'ajustement a consisté à faire varier les paramètres de façon à minimiser pour les deux courbes CR et CP, l'écart entre les courbes mesurées et théoriques. On obtient les courbes mesurées et théoriques présentées à la figure 1. Ces courbes, comme on peut le constater, se superposent parfaitement. Les paramètres hydrostructuraux de la pédostructure du sol sont calculés. On obtient les 35 valeurs correspondantes des 12 paramètres caractéristiques, qui sont présentées dans le 25 30 tableau 1 ci-dessous : TABLEAU 1 KN (kg/kg) Kip (dm3/kg) G/G.. 165,7 1 21,853 WN (kg/kg) Kst (dm3/k) G./ (J/kg) 0,069 0 30,04 KI (kg/kg) Kbs (dm3/kg) Wsat (kg/kg) 56,0 0,323 0,399 WL (kg/kg) Vo (dm3/kg) WmiSat = WM (kg/kg) 0,303 0,680 0,222 EXEMPLE 2 15 Variables et les caractéristiques spécifiques de la pédostructure Les variables et les caractéristiques spécifiques de la pédostructure qui sont utilisées dans les équations physiques pour la mise en ceuvre du procédé selon l'invention, sont définies comme suit : Variables : - volume spécifique de la pédostructure (inverse de la densité apparente du sol) : V = V/Ms 25 - teneurs en eau spécifiques (en kg par kg de pédostructure sèche) : - teneur en eau globale : W ; - teneur en eau micro : Wmi ; - teneur en eau macro : Wma ; - teneur en eau résiduelle : wre ; 30 - teneur en eau plasmique : wbs ; - teneur en eau structurale : wst et - teneur en eau interpedique : wip. 19 10 20 Leur loi de composition est telle que : W = Wma + Wmi ; Wma = wip + wst et Wmi = wbs + wre ; - teneurs en air spécifiques : Vair micro et Vair macro, avec la relation Vair = Vair micro + Vair macro (en dm3 par g de pédostructure sèche) ; - volumes poraux spécifiques : Vpmi et Vpma, les volumes poraux spécifiques de la microporosité et de la macroporosité, respectivement ; avec la relation Vp = Vpmi + Vpma (en dm3 par kg de pédostructure) ; Paramètres : - teneurs en eau à saturation (à l'état saturé en eau de la pédostructure correspondant à Vsat= Wsat + Vs) : WSat = WmaSat + WmiSat - volumes spécifiques à saturation et à l'état sec : Vsat et Vo ; - volume spécifique de la phase solide Vs (inverse de la densité dite réelle du sol) selon la relation de composition : Vs = Vsat-Wsat ; - teneurs en eau spécifiques particulières : max(wre) = WN = Vpo(pw), max(wbs) = (WM-WN); Vmisat = Vpmisat + Vs = WmiSat/pw + Vs, - coefficients caractéristiques de l'interaction hydro-structurale : Kbs = dV/dwbs ; Kst=dV/dwst ; Kip=dV/dwip ; Ils représentent les pentes des phases de retrait pseudo-linéaires des courbes de retrait, en (dre kg sol) / (kg eau/kg sol) ; - potentiels de charges de surface (en Joule / kg de sol sec) : - des particules solides à la surface des peds primaires :; et - des particules solides internes aux peds primaires um., . Tableau synthétique des variables d'état de la pédostructure utilisées Les indices mi et ma, font référence à micro and macro ; Les indices hor, fiss, et s font référence à horizon, fissures et solids;30 Les indices st, bs et re, font référence au nom de la phase de retrait correspondante de la courbe de retrait : interpédique, structural, basique et résiduel. TABLEAU 2 Types d'eau Potentiel Energie Volume Volume Volume poral Teneurs en de la courbe matriciel libre structural spécifique spécifique eau de retrait (négatif) spécifique concerné (dm3/kg) (dm3/kg) (kg /kg) Pedostructure v W - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Porosité inter- agrégat Agrégats _ vm; V pmi W mi Wre ; Wbs hm; primaires Particules vs primaires (kg /kg) (kPa) (J/kg sol) h V pma Wma Wst ; Wip hma ürri REVENDICATIONS1.- Procédé de caractérisation quantitative d'un milieu naturel organisé tel qu'un sol, dont la structure homogène de premier niveau est un assemblage de peds primaires, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant essentiellement à : a) - prélever un échantillon dudit milieu naturel ; b) - saturer en eau l'échantillon ; c) - placer l'échantillon dans une enceinte à une température déterminée, apte à provoquer une dessiccation progressive, depuis l'état saturé jusqu'à l'état sec dudit échantillon, et effectuer : - une mesure de ses dimensions, - une mesure du potentiel de l'eau, et - une mesure de sa masse, lesdites mesures étant réalisées simultanément sur l'échantillon et répétées à intervalle de temps prédéterminé durant toute la durée de la dessiccation ; d) - tracer la courbe de retrait (V , W) et la courbe de potentiel de l'eau (h, W) ; e) - analyser les courbes ( V , W) et (h, W) en vue de déterminer les paramètres caractérisant l'état d'équilibre thermodynamique dudit milieu structuré à toute teneur en eau. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échantillon prélevé à l'étape a), est un cylindre de sol non remanié ou un cylindre reconstitué à partir de sol effrité et tamisé. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, à l'étape c), l'échantillon est placé à intervalle de temps prédéterminé dans une zone de mesure dans laquelle : - la mesure des dimensions de l'échantillon est réalisée par un système optique de mesure de la hauteur et du diamètre dudit échantillon, - la mesure du potentiel de l'eau dudit échantillon est réalisée à l'aide d'un tensiomètre à bougie poreuse, et - la mesure de la masse dudit échantillon est réalisée à l'aide d'une balance à plateau fixe, lesdites mesures étant mises en ceuvre simultanément lorsque l'échantillon est placé dans ladite zone de mesure. 4.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que à l'étape c), les mesures sont réalisées à une température constante comprise entre 30° et 40 °C et à pression atmosphérique. 5.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, avant l'étape d), on mesure la masse structurale Ms et le volume apparent de l'échantillon sec Vo, puis on calcule le volume spécifique apparent de l'échantillon Vo = VjMs . 6.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, avant de tracer les courbes à l'étape d), on effectue un prélèvement complémentaire dudit milieu naturel qu'on tamise et qu'on sèche à ladite température déterminée, et on mesure la teneur en eau Wo du prélèvement tamisé et séché. 7.- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, avant l'étape d), on calcule : - la masse pédostructurale de l'échantillon Mps = Mo / Wo+1, où Mo est la masse de l'échantillon sec relevée à la fin de l'étape c), - le volume spécifique apparent de la pédostructure Vo = Vo/M, , où Vo est le volume apparent de l'échantillon sec, calculé selon la formule Vo = zD02Ho/4 ; où Do et Ho sont les valeurs du diamètre et de la hauteur de l'échantillon, relevées à la fin de l'étape c). 8.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à l'étape e), l'analyse des courbes ( V , W) et (h, VV) comprend au moins une opération d'ajustement des courbes mesurées avec les courbes théoriques correspondant aux équations thermodynamiques du système en fonction de la teneur en eau W. 9.- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, à l'étape e), lesdites équations thermodynamiques du système en fonction de la teneur en eau W sont exprimées pour l'état d'équilibre thermodynamique entre l'eau de la microporosité Wm; et l'eau de la macroporosité Wma- 10.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, à l'étape e), la courbe théorique d'équation h(W)=Gm;/W: -G./Wm;sat ou h(W)=Gma/Wma -Gma/VVmasat (1)est ajustée à la courbe du potentiel de l'eau mesurée, où - wmisar est la teneur en eau de la microporosité à l'état saturé, - Wmasarest la teneur en eau de la macroporosité à l'état saturé, - G. est l'énergie libre spécifique de la pédostructure associée aux charges de surface des particules solides à la surface des peds primaires, en Joule / kg de sol sec, - G. est l'énergie libre spécifique de la pédostructure associée aux charges de surface des particules solides internes aux peds primaires, en Joule / kg de sol sec. 11.- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, à l'étape e), on extrait les paramètres de la courbe de potentiel mesurée (h, W), en utilisant une méthode d'ajustement de l'équation théorique (1) à la courbe de potentiel mesurée. 12.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que à l'étape e), la courbe théorique d'équation : (7) est ajustée à la courbe de retrait mesurée, où - Kre, Kbs, Ksr and Kp sont les pentes aux points d'inflexion de la courbe de retrait correspondant respectivement aux phases de retrait résiduelle, basique, structurale et interpédique, - wre est la teneur en eau résiduelle interne aux peds primaires, - wip est la teneur en eau interpédique externe aux peds primaires, t't? q est la teneur en eau de la microporosité à l'équilibre, , et la teneur en eau de la macroporosité à l'équilibre, et Vo est le volume spécifique apparent à l'état sec. 13.- Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que à l'étape e), on extrait les paramètres de la courbe de retrait mesurée (V, W), en utilisant une méthode d'ajustement simultané des équations théoriques (1) et (2) aux courbes du potentiel de l'eau et du retrait mesurées. 14.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une étape consistant à enregistrer les paramètres physiques obtenus à l'étape e) dans une base de données. 30