Introduction

Récemment, j’ai eu une discussion avec un intendant qui avait des difficultés à utiliser sa nouvelle sonde d’humidité (TDR150 de Spectrum) venant remplacer l’ancien modèle dont il disposait (TDR100 de Spectrum). L’ancien modèle mesurait uniquement l’humidité du sol avec différentes longueurs de broches disponibles alors que le nouveau mesure humidité, température et conductivité électrique apparente du sol.

Rappelons que cette sonde estime l’humidité volumique du sol par le biais de la permittivité diélectrique du sol, renvoyant un signal ou plutôt une durée ou « période » en millisecondes corrélée à la teneur en eau. Cette durée est typique des technologies à réflectométrie temporelle (TDR). Il est pourtant largement probable que cette gamme de sonde soit plutôt issue de la technologie WCR (Water Content Reflectometry) à plus basses fréquences, étant donné son coût modéré et sa sensibilité à la conductivité électrique1.

La difficulté de l’intendant était de retrouver une gamme de valeurs compatible avec l’ancien modèle. En effet, avec le nouveau modèle, il obtient des valeurs d’humidité plus basses avec des différences de l’ordre de 5-6%, ce qui peut avoir une importance non négligeable, lorsqu’on se rapproche des humidités critiques.

Sur les nouveaux modèles (TDR350/150), différents réglages de type de sol sont disponibles :

  • Standard : pour la majorité des types de sols
  • Sand : pour les sols sableux
  • High Clay : pour les sols à teneur non négligeable en argiles

Auparavant, seuls les réglages standard et High Clay existaient sur les modèles TDR100/300.

De plus, les nouveaux modèles proposent un mode « TDR100/300 », la notice précisant que ce dernier réglage permet d’obtenir les mêmes mesures que sur les anciens modèles, sans correction des valeurs selon la conductivité électrique du sol.

Du fait de la complexité de ces nouveaux réglages, de la faible disponibilité en informations du fabricant et de la répercussion pratique que ces réglages peuvent avoir sur le terrain, j’ai décidé de réaliser quelques essais avec la nouvelle sonde TDR350, en utilisant également des mesures de calibration que j’avais pu faire avec la TDR100, il y a quelques années.

Matériel & méthode

L’idée est de :

  • A) Tester les différentes calibrations de la sonde en faisant varier le signal (période) et en relevant la teneur en eau volumique correspondante. La sonde permet en effet d’extraire les résultats bruts sous format *.csv à l’aide d’une clé USB.
  • B) Tester la sensibilité de la sonde à la salinité en réalisant des mesures à volume constant dans une solution à concentration croissante en NaCl (chlorure de sodium).

Pour la manipulation A, je dispose la sonde TDR350 (firmware 1.05 : le code utilisé dans le microcontrôleur, ce dernier peut être mis à jour) de manière fixe dans un récipient d’eau du robinet. En faisant monter le niveau d’eau, on augmente la permittivité et donc la mesure de teneur en eau correspondante estimée par la sonde. On obtient alors la relation période/teneur en eau pour les différentes calibrations (Standard, Hi-Clay et Sand) du fabricant.

Pour la manipulation B, je dispose la sonde dans un niveau constant de la même eau (toujours du robinet, j’aurais pu prendre de l’eau distillée) en ajoutant progressivement du sel de cuisine (NaCl). Cette opération fait augmenter la salinité de la solution tout en gardant le même “volume d’eau”. On obtient ensuite périodes, humidités volumiques et conductivités correspondantes. Je n’ai utilisé que les broches de 1.5 pouces (Turf) pour cette manipulation. La manipulation a été répétée 3 fois (essais 1, 2 et 3). J’ai également répété l’opération avec le réglage « TDR300 » disponible dans le menu de la TDR350, réglage pour lequel aucune correction de l’humidité n’est opérée suivant la conductivité électrique.

Résultats

Les résultats de la manipulation A sont présentés dans la figure 1 pour les broches de 1.5 pouces (Turf) et dans la figure 2 pour les broches de 3 pouces (Small).

J’ai également ajouté les calibrations utilisées par les sondes TDR100/300 avec le firmware 6.9 à titre de comparaison avec les anciennes versions. J’ai aussi ajouté la calibration que j’avais effectué pour un substrat hybride, afin de comparer les réglages standards disponibles de l’appareil avec une calibration précise pour un type de sol. J’ai enfin rajouté les mesures réalisées par une publication de 20131 pour les broches de 3 pouces qui étudiait la sonde TDR300 et sa sensibilité à la salinité (légende Benor et al.). 2 courbes sont visibles : celle mesurée dans un sol sableux avec de l’eau distillée et celle mesurée dans le même sol avec une solution de NaCl à 0.02M.

Impact des réglages de la sonde TDR sur l'humidité volumique estimée avec les broches de 1.5 pouces
Figure 1 : Impact des réglages (standard, sand) de la sonde TDR350 (firmware 1.05) sur l’humidité volumique estimée avec les broches de 1.5 pouces. Comparaison avec le réglage standard de l’ancien modèle, une calibration de la sonde effectuée sur substrat hybride avec la sonde TDR100 et le firmware 6.9. Licence : Clinique du gazon, tous droits réservés ©

Réglage « Standard » 

Pour les broches de 1.5 pouces (Turf), le réglage standard utilisé par la version TDR350 firmware 1.05 est la même que la calibration standard utilisée dans la version TDR100/300 avec le firmware 6.9. Les mesures réalisées avec les deux appareils suivant ce réglage sont donc comparables pour des gammes de conductivité faibles (0 à 0.5 mS/cm dans la gamme d’humidités relevées).

Ce constat est le même avec les broches de 3 pouces (Small) pour lesquelles les valeurs d’humidité volumique coïncident bien.

Réglage « Sand » ou « Sable » 

Broches de 1.5 pouces « Turf » 

Pour les broches de 1.5 pouces (Turf), le réglage Sand disponible dans les nouvelles versions des sondes (TDR350/150) diffère significativement du réglage standard pour les petites périodes (en-dessous de 2400 uS). L’humidité ne commence à augmenter (valeur supérieure à 0%) qu’à partir de 2150 contre 2030 uS avec le réglage standard ce qui est significatif puisque la plage de mesure dans les sols pour cette longueur de broche se situe entre 1900 et 2700 uS en moyenne. A titre de comparaison, pour la même période, le réglage standard propose 16.3% qui représente souvent la valeurs en-dessous de laquelle les gazons dépérissent par manque d’eau).

Pour rappel, les capteurs d’humidité du sol mesurent un signal censé être directement proportionnel à la permittivité diélectrique du sol, ce dernier paramètre étant fortement corrélé à la teneur en eau dans les sols. Une régression linéaire ou polynomiale (pour faire simple : une formule) permet de passer du signal à la teneur en eau volumique. La formule utilisée doit pouvoir être utilisée pour un maximum de type de sol ce qui est faisable pour les technologies TDR de pointe à haut coût et plutôt très difficile pour des sondes à coût modérés. Les fabricants proposent ainsi différents « réglages » suivant le type de sol qui sont en fait des équations de calibrations différentes suivant le type de sol pour corriger la sensibilité du capteur à la texture du sol, teneur en matière organique, conductivité, température. Il arrive aussi parfois que le fabricant corrige les valeurs d’humidité suivant la température ou la conductivité mesurée, connaissant le comportement de leur sonde, c’est d’ailleurs le cas pour la TDR350 (voir paragraphe plus bas).

Dans notre cas, cette « rectification » logicielle permettrait selon le fabricant d’assurer une erreur plus faible pour les sols sableux. Ainsi, il semblerait que pour des périodes courtes (gammes de petites humidités), le réglage standard surestime la teneur en eau des sols sableux, d’où cette correction qui, pour le même signal, estime des teneurs en eau plus faibles (voir figure 1). L’écart est significatif pour des périodes comprises entre 2150 et 2450 uS avec un écart en terme d’humidité allant jusqu’à 16% pour les humidités les plus faibles.

Pour des périodes entre 2150 et 2450 (humidités de 16 à 30% pour le réglage standard, soit une des tranches les plus courantes en ce qui nous concerne) on constate une forte augmentation de la teneur en eau (pente supérieure au réglage standard). La teneur en eau estimée est plus faible pour cette plage de période avec le réglage sand en comparaison du réglage standard. Ceci explique pourquoi l’intendant obtenait des valeurs systématiquement plus faibles avec sa TDR350 en réglage sand par rapport à son ancienne TDR300.

Pour le réglage standard, la relation entre la période et la teneur en eau est linéaire avec également 2 pentes (cassure à 2115 uS pour une humidité de 13-14% à peu près), ce qui est étonnant pour une sonde d’humidité qui utilise généralement une seule régression (ou une seule formule sur toute la plage). La faible longueur de broche explique peut-être ce petit artifice logiciel.

Pour des gammes supérieures de période (>2450 uS ou des humidités supérieures à 30% pour le réglage standard), la formule utilisée calcule des teneurs en eau comparables au réglage standard avec la même pente. Ainsi, le fabricant à utilisé 2 formules linéaires différentes en fonction de 2 gammes de périodes ce qui est plutôt étonnant. La montée en humidité est observée pour des périodes plus longues.

A titre de comparaison, dans un substrat hybride sableux à 100% avec du sable fin, la calibration obtenue est plus proche de la calibration « standard » pour ensuite s’en éloigner pour des mesures au-delà de 30%. Cette différence s’explique par le fait qu’un sol possède porosité maximale qu’il est impossible de dépasser (l’excédent est drainé) et c’est pourquoi notre calibration atteint une limite avec une relation non linéaire qui s’éloigne de la calibration du fabricant. Ceci étant dit, la calibration standard est la plus proche de la vraie calibration pour notre substrat hybride composé de sable fin et le réglage sand sous estimerait significativement la teneur en eau réelle.

Impact des réglages de la sonde TDR sur l'humidité volumique estimée avec les broches de 3 pouces
Figure 2 : Impact des réglages (standard, sand, high clay) de la sonde TDR350 (firmware 1.05) sur l’humidité volumique estimée avec les broches de 3 pouces. Comparaison avec le réglage standard de l’ancien modèle, une calibration de la sonde effectuée sur substrat hybride avec la sonde TDR100 et le firmware 6.9, une étude de Benor et al. utilisant la TDR300 dans un sol sableux avec eau distillée et solution de NaCl. Licence : Clinique du gazon, tous droits réservés ©

Broches de 3 pouces « Small »

Pour les broches de 3 pouces, on retrouve les mêmes particularités entre les réglages sand et standard. Aux remarques précédentes s’ajoute une autre zone avec une autre pente. Pour cette longueur de broche plus longue, la période pour laquelle l’humidité se met à augmenter (de 0% à >0%) est la même que pour le réglage standard (2050 uS). Ce dernier utilise une formule linéaire sur toute la plage de période avec par conséquent une pente constante, ce qui est classique avec les sondes d’humidité du sol.

La pente du réglage sand est plus faible pour des périodes variant de 2150 à 2600 uS (équivalent à 0 à 30% d’humidité pour le réglage standard).

Entre 2600 et 2750 uS (équivalent à 30 à 35% d’humidité pour le réglage standard) la pente du réglage sand augmente fortement puis diminue ensuite au-delà de 2750 pour revenir à une pente comparable sinon légèrement plus élevée que celle du réglage standard. Pour les gammes de forte humidité, le réglage sand estime des teneurs en eau plus élevées que le réglage standard.

D’un point de vue théorique, les formules utilisées pour le sable après 25-30% d’humidité sont purement fictives car la porosité totale des sols sableux est rarement supérieure. On se demande ainsi l’utilité d’une 3ème formule pour des humidités au-delà de 40% ou même d’une deuxième au-delà de 20%.

Ainsi, le réglage sand aura tendance à donner des valeurs plus faibles pour un même signal par rapport au réglage standard. Suivant le type de sol, l’estimation pourra ainsi être surestimée ou sous-estimée.

A titre de comparaison, la calibration faite sur substrat hybride avec les broches de 3 pouces diffère substantiellement des 2 réglages proposés qui surestiment la teneur en eau réelle, surtout pour des humidités supérieures à 20%.

L’étude de Benor et al., de 20131 utilisait également la TDR300 (réglage et firmware inconnus). La sonde estimait des teneurs en eau plus faibles en moyenne (eau distillée ou eau saline) montrant que les régressions utilisées par le fabricant ont du varier au fil des années et des firmwares.

On remarquera enfin que le réglage High Clay disponible uniquement à partir des broches de longueur 3 pouces utilise quasiment la même formule que le réglage sand jusqu’à la période 2600 uS puis garde la même pente (régression linéaire unique sur toute la gamme de période). Ceci montre que pour des humidités plus élevées, la teneur en eau est surestimée avec le réglage standard dans les sols argileux (impact probable de la teneur en argiles et de la conductivité de ces sols spécifiques sur la mesure). Curieux de constater que la formule utilisée pour des humidités plus faibles est proche de celle du réglage sable et non du réglage standard.

Sensibilité de la sonde à la salinité

Les résultats des mesures sont visibles sur la figure 3. Sans surprise, la mesure est sensible à la salinité. On constate une augmentation quasi-linéaire de l’humidité estimée avec une première pente pour des conductivités électriques variant de 0 à 1.63 mS/cm puis une forte augmentation brutale de l’humidité estimée au-delà de 1.65 mS/cm puis une diminution linéaire au-delà jusqu’à des conductivités de 5 mS/cm.

Impact de la conductivité électrique sur l'humidité volumique estimée pour la sonde TDR350 avec les broches de 1.5 pouces
Figure 3 : Impact de la conductivité électrique de l’eau sur l’humidité volumique estimée (axe vertical de gauche) et la période de mesure (axe vertical de droite) pour la sonde TDR350 (firmware 1.05) avec les broches de 1.5 pouces. Licence : Clinique du gazon, tous droits réservés ©

La période (ou signal) augmente quasi linéairement avec la conductivité, ce qui est plutôt attendu.

Le fabricant semble avoir tenté d’appliquer une correction de l’humidité à partir de 1.6 mS/cm en diminuant l’humidité estimée. En-dessous de 1.6 mS/cm, l’humidité estimée croît linéairement avec la salinité : de 29.4% mesuré avec une faible salinité de 0.02 mS/cm jusqu’à 42.4% avec 1.55 mS/cm soit 13% d’écart alors que seule la concentration en NaCl augmenté (11% en moyenne sur les 3 essais).

Ceci montre que l’humidité estimée est fortement influencée par la salinité du milieu mesuré.

A titre de comparaison, les estimations non corrigées (réglage TDR300, cette première version ne corrigeait pas la mesure en fonction de la conductivité) montrent bien une augmentation de l’estimation en fonction de la salinité du milieu. Les mesures sont comparables jusqu’à 0.9 mS/cm puis s’envolent jusqu’à 100% d’humidité estimée à 2.55 mS/cm. Cette envolée de l’humidité n’a évidemment aucun sens. Ainsi, on pourrait dire que la TDR300 maintient 3% d’erreur indiqué par le fabricant tant que la conductivité ne dépasse pas 0.5 mS/cm/

Ceci montrerait que la sonde est très sensible à la conductivité du milieu et que la précision indiquée par le fabricant (+/-3% jusqu’à 2 mS/cm) serait plutôt valable pour des gammes de conductivité variant entre 0 et 0.5 mS/cm dans les conditions de l’essai. Au-delà, la précision des 3% n’est plus valable et même avec la correction apportée par le fabricant, on arrive à 10% d’erreur à environ 1 mS/cm.

La limite évidente de mes essais réside dans le fait que je n’utilise pas de sol pour faire ses mesures et que j’étudie uniquement le lien entre période, conductivité et la formule qui relie la période avec la teneur en eau. Mes erreurs ne sont évidemment que des approximations mais indiquent tout de même la tendance de fonctionnement du capteur.

A titre de comparaison encore, l’étude de Benor et al. de 20131 montre aussi les limites de la TDR300 qui ne corrigeait pas l’humidité à l’époque en fonction de la conductivité. Les chercheurs ont montré que l’augmentation de la salinité dans un sol sableux avait une incidence marquée sur le signal (ou période). En utilisant leurs données, l’écart à l’humidité initiale du sol à l’eau distillée (2427uS soit 20.7% avec la formule standard) est de 8% par rapport à l’humidité estimée avec une solution de NaCl à 3 mS/cm (période 2593 uS soit 28.7% avec la formule standard). Dans la gamme de conductivité électrique rencontrée sous nos latitudes sur des sols sportifs (entre 0 et 1 mS/cm), l’erreur estimée serait plutôt de 2.6% selon leur étude. Dans le cas d’utilisation d’eau usées ou salines, l’erreur devient alors plus impactante.

Évidemment, on ne compare pas la même conductivité dans mes essais et dans cette étude. Dans l’étude, c’est la conductivité du sol qui est mesurée (Saturated Paste Extract : conductivité d’un certain volume d’eau ajouté et mélangé au sol). Cette conductivité est en général toujours supérieure à la conductivité électrique apparente du sol, mesurée par les capteurs d’humidité. Dans mon protocole, c’est simplement la conductivité mesurée par le capteur avec le niveau d’eau fixé que j’ai utilisé pour comprendre le lien entre les différents paramètres et elle ne peut pas être comparée.

D’autres données viennent étayer un peu le raisonnement. Lors d’une conférence au Golf Industry Show de San Diego en 20192 , des chercheurs de l’université du Nouveau Mexique et de Californie présentent des résultats sur la sensibilité des sondes TDR300 et 350 à la salinité.

Ceux-ci concluent que la précision de la mesure est bonne pour la TDR300 tant que la conductivité du sol ne dépasse pas 0.5 mS/cm (conductivité Saturated Paste Extract). La TDR350, avec sa correction logicielle, semble faire mieux avec une précision correcte pour des niveaux de conductivité inférieurs à 4 dS/m. En regardant leurs graphiques, je trouve les 4 dS/m un peu généreux et 2 dS/m semblent plus réalistes.

Dans mon cas, il semblerait qu’une correction soit appliqué à partir de 0.9 mS/cm jusqu’à 1.6 mS/cm. L’augmentation brutale de l’humidité ensuite puis sa correction par diminution me semblent fantaisistes même si je n’ai pas de moyen précis de le montrer puisque je n’ai aucune idée des valeurs de conductivité correspondantes, si mes mesures avaient été réalisées sur un sol. En effet, 1.6 mS/cm de conductivité apparente mesurée sur un sol avec une sonde représente une valeur élevée peu rencontrée.

Dommage que les données de conductivité mesurées par l’appareil ne soient pas disponibles dans l’étude américaine, rendant difficile toute comparaison entre mes mesures et les mesures de conductivité du sol de leur étude ou encore les mesures de conductivité du sol au laboratoire et les mesures de conductivité apparente mesurées par l’appareil.

Conclusion

En guise de conclusion, les mesures des anciennes sondes (TDR100 et 300) peuvent être comparées avec les réglages standard des nouvelles sondes, tant que la conductivité est modérée (inférieure à 1 mS/cm). Au-delà, la correction appliquée par les nouveaux modèles diffère largement du réglage standard des anciens modèles.

L’impact des réglages sable ou standard est non négligeable sur le terrain avec des différences notables pour les nouvelles sondes TDR150/350. Ces réglages devraient être utilisés en connaissance de cause avec une sous-estimation ou surestimation de l’humidité suivant le type de sol où sont réalisées les mesures. Ceci montre encore une fois à quel point la fréquence des mesures est importante pour se faire une réelle idée des valeurs limites et de leur évolution dans son propre type de sol.

La salinité impacte de manière non négligeable les nouvelles sondes, comme les anciennes. Les nouveaux modèles semblent bien opérer une correction des valeurs d’humidité selon mes résultats. Le type de correction me semble surprenant avec une précision qui laisserait à désirer, selon le protocole que j’ai mis en place. Ce protocole comporte évidemment ses limites et il est difficile de le comparer aux résultats d’une étude américaine récente2 en termes de conductivité électrique. La méthode a cependant l’avantage de comprendre comment s’opère cette correction. L’étude citée montre néanmoins que la précision de l’appareil semble correcte pour des conductivités allant jusqu’à 4 dS/m.

Je pense enfin que ce comportement vis-à-vis de la conductivité explique parfois les mesures aberrantes (>70% pour les anciens modèles TDR100 et TDR300) que l’on retrouve sur certains vieux greens de golf ou terre/sable riches en matière organique. Le nouveau modèle tente de corriger l’humidité estimée mais c’est tout de même une des limites du capteur en termes de précision. Sur ces types de sols, seule la fréquence de mesure et la bonne connaissance des valeurs caractéristiques permettent une utilisation correcte.

Bibliographie

1.           Benor, M., Levy, G. J., Mishael, Y. & Nadler, A. Salinity Effects on the Fieldscout TDR 300 Soil Moisture Meter Readings. Soil Science Society of America Journal 77, 412 (2013).https://doi.org/10.2136/sssaj2012.0294n

2.           Matteo, S. & Schiavon, M. Managing Turfgrass Soil and Irrigation Salinity. Présentation Golf Industry Show (2019) https://www.gcsaaconference.com/docs/librariesprovider6/2019-documents/2019-free-sessions/tuesday/turf-solutions-ii-tricks-of-the-trade/managing-turfgrass-soil-and-irrigation-salinity–marco-schiavon-phd-and-matteo-serena-phd.pdf?sfvrsn=336e33e_2.