Étude expérimentale sur l'efficacité de la végétation à générer une succion du sol par transpiration (et améliorer la stabilité de structures géotechniques)

par Roberta Dainese

Thèse de doctorat en Ecologie fonctionnelle

Sous la direction de Thierry Fourcaud et de Alessandro Tarantino.

Thèses en préparation à Montpellier en cotutelle avec l'Université de Strathclyde , dans le cadre de Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...) , en partenariat avec AMAP - botAnique et Modélisation de l'Architecture des Plantes et des végétations (laboratoire) .


  • Résumé

    La stabilité des pentes, des berges et des structures de terre est déterminée par la force de cisaillement que le sol peut mobiliser. La portion supérieure du profil du sol (zone vadose) ainsi que les structures de terre sont généralement partiellement saturées et la force de cisaillement est affectée par la pression de l'eau interstitielle (négative) et le degré de saturation. Quand la quantité d'eau dans le sol est réduite, la pression d'eau interstitielle est épuisée, ce qui augmente la force de cisaillement. L'extraction d'eau du sol peut ainsi être vue comme une technique permettant de renforcer le sol et d'en améliorer sa stabilité. Une approche naturelle pour extraire l'eau du sol, consiste à exploiter la demande évaporative de l'atmosphère. Le problème de la transpiration des plantes est complexe, car il dépend d'un couplage entre le sol, les plantes et l'atmosphère. Cependant, il présente une opportunitée de contrôler activement le procédé d'extraction d'eau par la sélection adéquate d'espèces couvrant la surface du sol. Il en résulte que la végétation peut potentiellement être ‘conçue' pour stabiliser les structures géotechniques. Ce travail propose un cadre expérimental pour l'étude de l'efficacité de la végétation à extraire l'eau du sol par transpiration, dont la méthodologie générale se base sur la comparaison entre la transpiration (depuis un sol végétal) et l'évaporation (depuis un sol nu), tant en laboratoire que dans le milieu naturel. L'étude expérimentale du processus de transpiration requiert ainsi le suivi continu des flux d'eau sol-plante-atmosphère. Une nouvelle méthode a été développée pour suivre la pression d'eau du xylème : Le tensiomètre à haute-capacité (HCT) a été appliquée sur le xylème végétal pour mesurer la pression d'eau du xylème. Cette méthode a été validée en comparaison avec les méthodes usuelles utilisées en science des plantes. La nouvelle procédure est une évolution majeure dans l'étude des flux parce que il permet l'utilisation d'un seul instrument pour suivre la totalité de la continuité sol-plante. Le processus de transpiration a tout d'abord été étudié en laboratoire où deux colonnes de sol ont été développées, une avec végétation et l'autre laissée avec un sol nu pour comparaison de la transpiration et évaporation sous conditions atmosphérique équivalentes. Les colonnes étaient instrumentées pour suivre la quantité d'eau et la pression négative d'eau interstitielle et le taux de transpiration. Le résultat direct de ces tests en laboratoire est que la végétation n'a pas toujours un effet bénéfique. Dans le régime énergie-limitée, la combinaison de la résistance aérodynamique et de la résistance du canopée peut avoir une influence en faveur du sol nu ou végétal en fonction du type de végétation. Ceci a été démontré par les expériences en laboratoire. Dans le régime eau-limitée, l'effet de la végétation est toujours bénéfique car le mode d'extraction d'eau est différent. Ceci est apparent dans le temps que met le processus de transpiration à entrer en régime d'eau-limitée, qui est plus long dans un sol végétal que dans un sol nu. Les effets hydrauliques de la végétation ont finalement été étudiés en milieu naturel dans une plantation de peupliers à Montpellier, France. Le profil de contenu en eau a été suivi pendant toute la saison sèche et la période de pluie suivante dans une zone peuplée de peuplier ainsi que dans le champ voisin labouré (virtuellement nu). Le cadre conceptuel développé sur la base d'expériences en laboratoire a été ainsi fondamental pour permettre l'interprétation des résultats obtenus en milieu naturel, et montrer dans quel régime la végétation a un effet bénéfique dans ce cas précis. Pour conclure, cette dissertation a permis de démontrer les effets de la transpiration des plantes dans l'extraction d'eau du sol, grâce à quoi l'amélioration la stabilité des pentes et des structures terrestres peut désormais être évaluée sur la base de mesures quantitatives.

  • Titre traduit

    An experimental investigation into the effectiveness of vegetation to generate soil suction via transpiration (and enhance stability of geotechnical structures)


  • Résumé

    The stability of slopes, embankments and earth structures is determined by the shear strength that the soil can mobilise. The upper portion of the soil profile (vadose zone) and the earth structures are usually partially saturated and the shear strength is affected by the (negative) pore-water pressure and the degree of saturation. If the amount of water in the soil is reduced, pore-water pressure is depleted and the shear strength increases. Soil water removal can therefore be viewed as a technique to strengthen the ground and enhance stability. A natural, low-cost, and low-carbon approach to remove soil water consists in exploiting the evaporative demand of the atmosphere. Evaporation from bare soil is well studied, but it is difficult to ‘engineer' the process to enhance soil water removal. The problem of plant transpiration is complex as it involves the coupling between soil, plant and atmosphere. However, it offers the chance to control actively the process of water removal if adequate species are selected to cover the ground surface. As a result, vegetation can potentially be ‘engineered' to stabilise geotechnical structures. This work has developed an experimental framework to investigate the effectiveness of vegetation in removing soil water by transpiration and the overall methodology has been designed around the comparison between transpiration (from vegetated soil) and evaporation (from bare soil), both in the laboratory and in the field. Experimental investigation into transpiration processes therefore requires the monitoring of the water flow through the Soil-Plant-Atmosphere Continuum. A novel technique was developed to monitor xylem water pressure. The High-Capacity Tensiometer (HCT), developed by geotechnical researchers, was tested on the plant to measure the xylem water pressure. This technique was validated via comparison with techniques routinely used in plant science. The novel procedure for the measurement of negative xylem water pressure is a step change in the study of continuous flow along the soil-plant system, especially in the geotechnical field. This allows the use of a single instrument to monitor the entire soil-plant continuum. The transpiration process was then first investigated in the laboratory. Two soil columns were developed, one vegetated and one left bare to compare the transpiration and evaporation respectively under the same atmospheric conditions. The columns were instrumented to monitor the water content, (negative) pore-water pressure in the soil respectively and the transpiration rate. The straightforward outcome from these laboratory tests is that vegetation does not have necessarily a beneficial effect. In the energy limited regime, the combination of the aerodynamic and canopy resistances can play either in favour of the bare or the vegetated soils depending on the vegetation type. In the water-limited regime, the effect of vegetation is always beneficial due to the different mode of water extraction. This is reflected in the time at which the transpiration enters the water limited regime, which is definitely longer in the vegetated soil than the bare one. Both aspects have been clearly demonstrated in the laboratory experiments. The hydrological effects of vegetation where finally investigated in the field in a poplar plantation in Montpellier, France. The water content profile was monitored throughout the dry season and the following rainy period in a poplar vegetated area as well as in the adjacent ploughed (virtually bare) field. The conceptual framework developed on the basis of the laboratory experiments was therefore key to interpret the field data and show in which regime the vegetation has beneficial effects in this specific case. In conclusion, this dissertation has shown how the effects of plant transpiration in removing soils water and, hence, enhancing the stability of slopes and earth structures can be assessed based on quantitative measurements.