POTENTIEL DE L'EAU: COMPOSANTS, MÉTHODES ET EXEMPLES - ENVIRONNEMENT - 2025

Le potentiel de l'eau est l'énergie libre ou capable de faire du travail, qui a un certain volume d'eau. Ainsi, l'eau au sommet d'une cascade ou d'une cascade a un potentiel hydrique élevé qui, par exemple, est capable de déplacer une turbine.

Le symbole utilisé pour désigner le potentiel hydrique est la lettre majuscule grecque psi, qui s'écrit Ψ. Le potentiel en eau de tout système est mesuré en référence au potentiel en eau de l'eau pure dans des conditions considérées comme standard (pression de 1 atmosphère et même hauteur et température du système à étudier).

Potentiel osmotique. Source: Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Les facteurs qui déterminent le potentiel de l'eau sont la gravité, la température, la pression, l'hydratation et la concentration de solutés présents dans l'eau. Ces facteurs déterminent la formation de gradients de potentiel d'eau et ces gradients entraînent la diffusion de l'eau.

De cette façon, l'eau passe d'un site à fort potentiel hydrique à un autre à faible potentiel hydrique. Les composants du potentiel hydrique sont le potentiel osmotique (concentration de solutés dans l'eau), le potentiel matriciel (adhésion de l'eau aux matrices poreuses), le potentiel gravitationnel et le potentiel de pression.

La connaissance du potentiel hydrique est essentielle pour comprendre le fonctionnement de divers phénomènes hydrologiques et biologiques. Celles-ci comprennent l'absorption d'eau et de nutriments par les plantes et l'écoulement de l'eau dans le sol.

Composantes du potentiel hydrique

Le potentiel hydrique est composé de quatre composantes: potentiel osmotique, potentiel matriciel, potentiel gravitationnel et potentiel de pression. L'action de ces composants détermine l'existence de gradients de potentiel hydrique.

Potentiel osmotique (Ψs)

Normalement, l'eau n'est pas à l'état pur, car elle contient des solides dissous (solutés), tels que des sels minéraux. Le potentiel osmotique est donné par la concentration de solutés dans la solution.

Plus la quantité de solutés dissous est élevée, moins il y a d'énergie libre de l'eau, c'est-à-dire moins de potentiel hydrique. Par conséquent, l'eau tente d'établir un équilibre en passant de solutions à faible concentration de solutés à des solutions à forte concentration de solutés.

Potentiel matriciel ou matriciel (Ψm)

Dans ce cas, le facteur déterminant est la présence d'une matrice ou d'une structure de matériau hydratable, c'est-à-dire qu'elle a une affinité pour l'eau. Cela est dû aux forces d'adhésion créées entre les molécules, en particulier les liaisons hydrogène formées entre les molécules d'eau, les atomes d'oxygène et les groupes hydroxyle (OH).

Par exemple, l'adhésion de l'eau aux argiles du sol est un cas de potentiel hydrique basé sur le potentiel matriciel. Ces matrices en attirant l'eau génèrent un potentiel hydrique positif, donc l'eau à l'extérieur de la matrice s'écoule vers elle et a tendance à rester à l'intérieur comme dans une éponge.

Hauteur ou potentiel gravitationnel (Ψg)

La force gravitationnelle de la Terre est dans ce cas celle qui établit le gradient potentiel, puisque l'eau aura tendance à tomber vers le bas. L'eau située à une certaine hauteur a une énergie libre déterminée par l'attraction que la Terre exerce sur sa masse.

Mouvement de l'eau par gravité. Source: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Par exemple, l'eau dans un réservoir d'eau surélevé tombe librement le long du tuyau et se déplace avec cette énergie cinétique (de mouvement) jusqu'à ce qu'elle atteigne le robinet.

Potentiel de pression (Ψp)

Dans ce cas, l'eau sous pression a une plus grande énergie libre, c'est-à-dire un plus grand potentiel en eau. Par conséquent, cette eau passera de l'endroit où elle est sous pression à l'endroit où elle n'est pas, et par conséquent, il y a moins d'énergie libre (moins de potentiel en eau).

Par exemple, lorsque nous dosons des gouttes à l'aide d'un compte-gouttes, en appuyant sur le bouton en caoutchouc, nous appliquons une pression qui donne de l'énergie à l'eau. En raison de cette énergie libre plus élevée, l'eau se déplace vers l'extérieur où la pression est plus faible.

Méthodes pour déterminer le potentiel hydrique

Il existe une variété de méthodes pour mesurer le potentiel hydrique, certaines adaptées au sol, d'autres aux tissus, aux systèmes hydrauliques mécaniques et d'autres. Le potentiel en eau équivaut à des unités de pression et se mesure en atmosphères, bars, pascals ou psi (livres par pouce carré dans son acronyme en anglais).

Voici quelques-unes de ces méthodes:

Pompe Scholander ou chambre de pression

Si vous souhaitez mesurer le potentiel hydrique d'une feuille de plante, vous pouvez utiliser une chambre de pression ou une pompe Scholander. Celui-ci consiste en une chambre hermétique où la feuille entière (feuille avec son pétiole) est placée.

Mesure du potentiel hydrique d'une feuille avec une chambre de pression. Source: Pressurebomb.svg: Aibdescalzoderivative work: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Ensuite, la pression à l'intérieur de la chambre est augmentée en introduisant un gaz sous pression, mesurant la pression qui est atteinte au moyen d'un manomètre. La pression du gaz sur la feuille augmente, au point que l'eau qu'elle contient jaillit à travers le tissu vasculaire du pétiole.

La pression indiquée par le manomètre lorsque l'eau quitte la feuille correspond au potentiel hydrique de la feuille.

Sondes de pression

Il existe plusieurs alternatives pour mesurer le potentiel de l'eau à l'aide d'instruments spéciaux appelés sondes de pression. Ils sont conçus pour mesurer le potentiel hydrique du sol, basé principalement sur le potentiel matriciel.

Par exemple, il existe des sondes numériques qui fonctionnent sur la base de l'introduction d'une matrice céramique poreuse reliée à un capteur d'humidité dans le sol. Cette céramique est hydratée avec l'eau à l'intérieur du sol jusqu'à ce qu'elle atteigne un équilibre entre le potentiel hydrique de la matrice céramique et le potentiel hydrique du sol.

Par la suite, le capteur détermine la teneur en humidité de la céramique et estime le potentiel hydrique du sol.

Microcapillaire avec sonde de pression

Il existe également des sondes capables de mesurer le potentiel hydrique dans les tissus végétaux, comme la tige d'une plante. Un modèle se compose d'un tube très fin à pointe fine (tube micropillar) qui est inséré dans le tissu.

En pénétrant dans les tissus vivants, la solution contenue dans les cellules suit un gradient de potentiel défini par la pression contenue dans la tige et est introduite dans le micropyle. Lorsque le liquide de la tige entre dans le tube, il pousse une huile contenue dans celui-ci qui active une sonde de pression ou un manomètre qui attribue une valeur correspondant au potentiel d'eau

Variations de poids ou de volume

Pour mesurer le potentiel hydrique basé sur le potentiel osmotique, les variations de poids d'un tissu immergé dans des solutions à différentes concentrations d'un soluté peuvent être déterminées. Pour cela, une série de tubes à essai sont préparés, chacun avec une concentration croissante connue d'un soluté, par exemple du saccharose (sucre).

Autrement dit, s'il y a 10 cc d'eau dans chacun des 5 tubes, 1 mg de saccharose est ajouté dans le premier tube, 2 mg dans le second, et donc jusqu'à 5 mg dans le dernier. Nous avons donc une batterie croissante de concentrations de saccharose.

Ensuite, 5 coupes de poids égal et connu sont découpées dans le tissu dont le potentiel hydrique est à déterminer (par exemple des morceaux de pomme de terre). Une section est ensuite placée dans chaque tube à essai et après 2 heures, les coupes de tissu sont prélevées et pesées.

Résultats attendus et interprétation

On s'attend à ce que certaines pièces perdent du poids à cause de la perte d'eau, d'autres auront pris du poids parce qu'elles ont absorbé de l'eau, et d'autres encore maintiendront le poids.

Ceux qui ont perdu de l'eau se trouvaient dans une solution où la concentration de saccharose était supérieure à la concentration de soluté dans le tissu. Par conséquent, l'eau s'écoulait selon le gradient de potentiel osmotique de la concentration la plus élevée à la plus faible, et le tissu perdait de l'eau et du poids.

En revanche, le tissu qui a gagné de l'eau et du poids était dans une solution avec une concentration de saccharose inférieure à la concentration de solutés dans le tissu. Dans ce cas, le gradient de potentiel osmotique a favorisé l'entrée d'eau dans le tissu.

Enfin, dans ce cas où le tissu a conservé son poids initial, on en déduit que la concentration dans laquelle il a été trouvé a la même concentration de soluté. Par conséquent, cette concentration correspondra au potentiel hydrique du tissu étudié.

Exemples

Absorption d'eau par les plantes

Un arbre de 30 m de haut a besoin de transporter l'eau du sol jusqu'à la dernière feuille, et cela se fait par son système vasculaire. Ce système est un tissu spécialisé composé de cellules mortes et ressemblant à des tubes très fins.

Mouvement de l'eau dans les plantes. Source: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Le transport est possible grâce aux différences de potentiel hydrique qui sont générées entre l'atmosphère et la feuille, qui à son tour est transmise au système vasculaire. La feuille perd de l'eau à l'état gazeux en raison de la concentration plus élevée de vapeur d'eau qu'elle contient (potentiel d'eau plus élevé) par rapport à l'environnement (potentiel d'eau plus faible).

La perte de vapeur génère une pression négative ou une aspiration qui force l'eau des vaisseaux du système vasculaire vers le limbe des feuilles. Cette succion est transmise de vaisseau en vaisseau jusqu'à atteindre la racine, où les cellules et les espaces intercellulaires sont imbibés de l'eau absorbée par le sol.

L'eau provenant du sol pénètre dans la racine en raison d'une différence de potentiel osmotique entre l'eau des cellules de l'épiderme de la racine et celle du sol. Cela se produit parce que les cellules de la racine ont des solutés à des concentrations plus élevées que l'eau du sol.

Mucilages

De nombreuses plantes dans des environnements secs retiennent l'eau en produisant du mucilage (substance visqueuse) qui sont stockés dans leurs vacuoles. Ces molécules retiennent l'eau, réduisant son énergie libre (faible potentiel hydrique), dans ce cas la composante matricielle du potentiel hydrique étant déterminante.

Un réservoir d'eau surélevé

Dans le cas d'un système d'alimentation en eau basé sur un réservoir surélevé, celui-ci est rempli d'eau en raison de l'effet du potentiel de pression. L'entreprise qui fournit le service d'eau, met la pression dessus à l'aide de pompes hydrauliques et surmonte ainsi la force de gravité pour atteindre le réservoir.

Une fois le réservoir plein, l'eau en est distribuée grâce à une différence de potentiel entre l'eau stockée dans le réservoir et les sorties d'eau de la maison. L'ouverture d'un robinet établit un gradient de potentiel gravitationnel entre l'eau du robinet et celle du réservoir.

Par conséquent, l'eau dans le réservoir a une énergie libre plus élevée (potentiel d'eau plus élevé) et tombe principalement en raison de la force de gravité.

Diffusion d'eau dans le sol

La principale composante du potentiel hydrique du sol est le potentiel matriciel, compte tenu de la force d'adhérence qui s'établit entre les argiles et l'eau. D'autre part, le potentiel de gravité affecte le gradient de déplacement vertical de l'eau dans le sol.

De nombreux processus qui se produisent dans le sol dépendent de l'énergie libre de l'eau contenue dans le sol, c'est-à-dire de son potentiel hydrique. Ces processus comprennent la nutrition et la transpiration des plantes, l'infiltration de l'eau de pluie et l'évaporation de l'eau du sol.

En agriculture, il est important de déterminer le potentiel hydrique du sol pour appliquer correctement l'irrigation et la fertilisation. Si le potentiel matriciel du sol est très élevé, l'eau restera attachée aux argiles et ne sera pas disponible pour l'absorption par les plantes.

Références

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