Les états de l'eau et la biologie du sol

Historiquement, la rétention d'eau était segmentée entre l'adsorption et la capillarité (Luo et al., 2022). Les nouveaux cadres théoriques unifient désormais ces forces sous le concept de SSP, défini comme la somme de quatre potentiels électromagnétiques : l'hydratationProcessus physiologique d'absorption et de fixation de l'eau par les cellules et tissus, indispensable au maintien du potentiel hydrique (Ψ) et à la conduction des molécules (Behr et al., 2020). Un bon statut d'hydratation est fondamental pour assurer l'élongation cellulaire, la photosynthèse et les réactions biochimiques de condensation ou d'hydrolyse (Behr et al., 2020) → Vocabulaire des cations, l'hydratation de surface, l'attraction de Van der Waals et l'osmose due à la double couche électrique (Luo et al., 2022).
Ce potentiel est le plus prononcé à proximité immédiate de la surface des particules ou au sein des espaces intracristallins (Luo et al., 2022). Contrairement aux modèles classiques, la pression de l'eau interstitielle induite par l'adsorption peut être positive (supérieure à la pression atmosphérique), tandis que la capillarité induit une tension (pression négative) (Wang & Lu, 2026).

L'interaction entre le champ électromagnétique des minéraux et les molécules d'eau modifie profondément la structure de ces dernières :

• Densité et Pression Extrêmes : Dans les trois premières couches moléculaires adsorbées, la densité de l'eau peut atteindre 1,26 g/cm³ (contre 1,00 g/cm³ pour l'eau libre), avec des pressions internes s'élevant jusqu'à 10³ MPa (Luo et al., 2022). La possibilité de densités allant jusqu'à 1,7 g/cm³ dans des conditions d'insaturation sévère demeure une question ouverte dans la littérature (Luo et al., 2022).
• Structuration en Couches : La densité de l'eau présente des pics oscillatoires à des distances précises de la surface minérale, notamment à 3,75 Å et 6,75 Å (Hu et Zhang, 2023). Ces pics reflètent une organisation quasi-cristalline de l'eau adsorbée.
• Décroissance des Films : L'épaisseur des films d'eau hygroscopiques suit une double décroissance exponentielle avec des longueurs caractéristiques de 2,3 Å et 7,5 Å, dictées respectivement par la répulsion d'hydratationProcessus physiologique d'absorption et de fixation de l'eau par les cellules et tissus, indispensable au maintien du potentiel hydrique (Ψ) et à la conduction des molécules (Behr et al., 2020). Un bon statut d'hydratation est fondamental pour assurer l'élongation cellulaire, la photosynthèse et les réactions biochimiques de condensation ou d'hydrolyse (Behr et al., 2020) → Vocabulaire et les phénomènes osmotiques de la DCE (Li & Bourg, 2024).

Le passage d'un régime d'adsorption (films minces) à un régime de capillaritéPhénomène physique lié aux forces matricielles permettant la rétention et le mouvement de l'eau dans les micropores du sol (Lombard, 2007). L'ascension capillaire est régie par la loi de Jurin, où la hauteur de montée d'un liquide est inversement proportionnelle au rayon du pore (Vogel, 2015) → Vocabulaire (ménisques dans les pores) constitue un seuil fonctionnel majeur. La contribution capillaire devient négligeable pour des potentiels matriciels supérieurs à 1 000 m (environ 10 MPa ou pF 5), où l'adsorption devient le seul mécanisme de rétention (Hu et Zhang, 2023).
À l'échelle du pore, l'eau peut être segmentée en deux domaines :

• La zone d'adsorption s'étend de la surface minérale jusqu'au creux suivant le second pic de densité (Hu et Zhang, 2023).
• La zone capillaire occupe le reste de l'espace poral où l'effet capillaire est dominant (Hu et Zhang, 2023).

Pour les minéraux gonflants (p. ex. : smectites), la transition entre les états d'hydratationProcessus physiologique d'absorption et de fixation de l'eau par les cellules et tissus, indispensable au maintien du potentiel hydrique (Ψ) et à la conduction des molécules (Behr et al., 2020). Un bon statut d'hydratation est fondamental pour assurer l'élongation cellulaire, la photosynthèse et les réactions biochimiques de condensation ou d'hydrolyse (Behr et al., 2020) → Vocabulaire (couches 1W à 2W) est pilotée par le détachement des cations de la surface argileuse pour former une sphère d'hydratation (Chen et al., 2022). Ce processus présente une hystérésis de sorption, causée par des transitions de phase interfaciales métastables (Teng et al., 2025).
La déshydratation de ces minéraux se déroule en deux étapes :

• Phase rapide : évaporation aux bords des particules, concernant les molécules d'eau proches des sites hydrophobes (Ho et al., 2022).
• Phase lente : désorption de la ou des deux dernières molécules d'eau fortement liées aux cations, couplée à l'effondrement de l'espace interfoliaire (Ho et al., 2022).
  Cette compréhension physico-chimique est fondamentale pour modéliser la résilience hydrique des sols, car elle définit la « réserve de survie » inaccessible aux racines mais critique pour la stabilité structurelle et la survie microbienne.

Les substances polymériques extracellulairesPolymères de haut poids moléculaire sécrétés par les microorganismes dans leur environnement extracellulaire, constituant la matrice structurale des biofilms. L'EPS est principalement composée de polysaccharides, protéines, acides uroniques, acides humiques et ADN, et confère des propriétés d'adhésion, d'hygroscopicité et de complexation. Dans les sols, l'EPS améliore la formation et la stabilisation des agrégats, augmente la rétention d'eau, piège les nutriments et régule la séquestration des contaminants (A Review of Biochemical Processes and Techniques for Soil Stabilization and Resilience, 2024; Or et al., 2007; The Effect of Exopolymers on the Compressibility and Shear Strength of Kaolinite, None; Zhang et al., 2024) → Vocabulaire agissent comme des hydrogels biologiques à haute capacité de rétention (Zhang et al., 2024).

• Composition et Stockage : Bien que le carbone issu de l'EPS ne représente en moyenne que 1,6 % du carbone organique total (avec une concentration moyenne de 956 µg/g de sol), son impact sur l'hydrologie est disproportionné par rapport à sa masse (Shi et al., 2026). Les polysaccharides, composants majeurs de l'EPS, sont les principaux moteurs de cette rétention en raison de leur hygroscopicité élevée et de leur capacité à modifier la structure des pores pour piéger l'eau (Zhang et al., 2020).
• Modification des Courbes de Rétention : L'ajout de faibles quantités d'EPS modifie significativement les courbes de rétention en eau du sol, augmentant la teneur en eau à saturation et à la capacité au champ, particulièrement dans les sols sableux où la rétention minérale est faible (Zhang et al., 2020).

L'eau « biologique » sert de zone tampon contre les fluctuations extrêmes de l'environnement (Zhang et al., 2024):

• Découplage Hydraulique : L'EPS modifie les conditions hydrologiques à l'échelle des pores, isolant les colonies bactériennes des chocs osmotiques lors des cycles rapides de séchage et de réhumidification (Or et al., 2007).
• Stratégie de Survie : Dans des conditions de déficit hydrique, le ratio EPS-C / Carbone de la biomasse microbienne augmente significativement (Shi et al., 2026). Cette réponse métabolique permet de maintenir une continuité de la phase liquide à des potentiels matriciels bas, facilitant la diffusion des nutriments même dans un sol globalement sec (Tecon et al., 2018).
• Niches de ConnectivitéCapacité d'un réseau (notamment hyphal ou hydrique) à assurer le transfert de flux, de signaux ou d'énergie entre ses composants (Richter et al., 2024). Chez les champignons filamenteux, la connectivité est assurée par l'anastomose, permettant l'expansion du réseau mycélien pour l'exploration efficace du milieu et l'échange de nutriments entre colonies (Dikec et al., 2020; Richter et al., 2024) → Vocabulaire : À des teneurs en eau intermédiaires, l'eau biologique forme des habitats déconnectés mais hydratés, ce qui est le principal moteur de la diversité bactérienne mondiale en limitant la compétition directe entre espèces (Bickel & Or, 2020).

La structuration de l'eau à l'interface organique dépend de l'architecture moléculaire de la matière organique du sol :

• Organisation en Phase Native : L'analyse par RMN multiphase montre que les têtes de lipides polaires et les glucides dominent l'interface sol-eau, favorisant l'adsorptionFixation réversible de molécules ou d'ions à la surface des colloïdes du sol (argiles, oxydes Fe/Al, MO) par forces électrostatiques, liaisons hydrogène ou interactions hydrophobes. L'adsorption contrôle la rétention des cations nutritifs (CEC), l'immobilisation du phosphate sur les oxydes Fe/Al et la stabilisation de la MO sur les surfaces minérales (MAOM). La matière organique augmente l'adsorption par sa charge négative et sa surface spécifique élevée. Gérer l'adsorption par le pH et la MO optimise la disponibilité nutritive. → Vocabulaire, tandis que la lignine et les résidus microbiens forment un intérieur hydrophobe impénétrable par les solvants aqueux (Masoom et al., 2016).
• Rôle des Amphiphiles : Certains champignons synthétisent des protéines amphiphiles (hydrophobines) qui peuvent soit favoriser la répulsion de l'eau, soit sa rétention, modifiant localement la mouillabilité du sol pour optimiser le transport des ressources (Iqbal et al., 2025).
• Limites de la Matière Organique : Bien que la restauration de la MOS améliore la capacité de rétention en eau, cet effet est quantitativement modeste à l'échelle globale : une augmentation de 1 % du carbone organique n'accroît la PAWC que de 1,16 % en volume en moyenne, l'effet étant plus marqué dans les sols sableux que dans les sols argileux (Minasny & McBratney, 2017).
  Cette dimension biologique transforme la matrice du sol en un système « dynamique et adaptatif », où l'eau n'est plus une variable statique mais une ressource activement gérée par la biomasse pour assurer sa propre résilience.

Le stockage de l'eau est régulé par deux compartiments de carbone aux rôles hydrologiques opposés : la matière organique associée aux minéraux et la matière organique particulaire (Witzgall et al., 2021).

• MAOM (Taille < 53 µm) : Elle est intimement liée aux surfaces minérales ou occluse dans les microagrégats (Witzgall et al., 2021). Son rôle est prédominant dans la rétentionCapacité du sol à fixer et à conserver des molécules (eau, nutriments ou polluants) par des interactions physico-chimiques plus ou moins réversibles (Blanchoud et al., 2011). La rétention peut évoluer vers des interactions très fortes menant à la formation de "résidus liés" non extractibles, représentant jusqu'à 90 % des quantités de pesticides initialement appliquées (Blanchoud et al., 2011; Pirlot et al., 2025) → Vocabulaire à haute tension (pF 4,2–7,0), où elle favorise la rétention d'eau par les pores (Zhuang et al., 2008). Bien qu'elle stabilise le carbone sur le long terme (siècles à millénaires), elle contribue moins à la porosité macroscopique (Witzgall et al., 2021).
• POM (Taille > 53 µm) : Composée de fragments végétaux peu décomposés, elle agit comme un moteur de la structure (Angst et al., 2023). Elle est un facteur clé de l'augmentation de l'eau disponible pour les plantes (PAWC) par son influence sur la porosité (Lal, 2020). Des zones de déplétion en carbone sont observées autour des pores de diamètre > 10 µm, tandis que l'enrichissement se concentre autour de la POM, créant des gradients de rétention localisés (Schlüter et al., 2022).

La capacité d'un sol à stocker du carbone — et par extension à optimiser sa rétentionCapacité du sol à fixer et à conserver des molécules (eau, nutriments ou polluants) par des interactions physico-chimiques plus ou moins réversibles (Blanchoud et al., 2011). La rétention peut évoluer vers des interactions très fortes menant à la formation de "résidus liés" non extractibles, représentant jusqu'à 90 % des quantités de pesticides initialement appliquées (Blanchoud et al., 2011; Pirlot et al., 2025) → Vocabulaire d'eau par le biais de la MAOM — est finie et dépend de sa minéralogie (argiles et limons) (Georgiou et al., 2022).

• État de Saturation Mondial : Les sols mondiaux ne sont saturés qu'à hauteur de 42 % de leur capacité minéralogique théorique en surface (Georgiou et al., 2022). La limite supérieure de saturation est estimée entre 78 et 86 g de C par kg de fraction fine (Cotrufo et al., 2023).
• Implication Hydrologique : Dans les sols proches de la saturation, le carbone ajouté peut s'accumuler sous forme de POM (Angst et al., 2023). Ce basculement modifie la structure du sol : une augmentation de 1 % du carbone organique total n'accroît la capacité d'eau disponible que de 1,16 % en volume en moyenne, l'effet étant maximisé dans les sols sableux (Minasny & McBratney, 2017).

L'imagerie par micro-tomographie à rayons X a révélé que la fonctionnalité hydrique dépend moins du volume total de pores que de leur topologie.

• Dynamique de Structure : Les cycles d'humectation-dessiccation modifient activement l'espace poreux (entre 10 µm et 3 mm), pouvant entraîner une dégradation structurelle si le sol est instable (Fomin et al., 2023).
• ConnectivitéCapacité d'un réseau (notamment hyphal ou hydrique) à assurer le transfert de flux, de signaux ou d'énergie entre ses composants (Richter et al., 2024). Chez les champignons filamenteux, la connectivité est assurée par l'anastomose, permettant l'expansion du réseau mycélien pour l'exploration efficace du milieu et l'échange de nutriments entre colonies (Dikec et al., 2020; Richter et al., 2024) → Vocabulaire versus Conductivité : Bien que le labour puisse augmenter la connectivité des pores par rapport aux prairies, une connectivité accrue ne se traduit pas systématiquement par une conductivité hydraulique plus élevée, soulignant l'importance de la "tortuosité" des réseaux de macropores (Schmücker et al., 2024).
• Domaines de Porosité : Les modèles actuels utilisent une double porosité pour distinguer le domaine structurel (macropores > 180 µm, régissant le drainage et l'infiltration) du domaine textural (micropores de la matrice, régissant la rétention) (Pachon et al., 2023). La présence de macropores bien connectés est un indicateur clé d'une infiltration rapide et d'une meilleure régulation hydrique (Smet, 2026).
  Cette approche améliore l'architecture du sol, en renforçant la stabilité des agrégats et la macroporosité, ce qui favorise l'infiltration et la rétention d'eau (García et al., 2025).

L'agriculture régénératrice agit comme une « porte » hydrologique qui redirige les flux : elle réduit le ruissellement immédiat et l'évaporation directe pour favoriser l'infiltrationProcessus physique par lequel l'eau pénètre à travers la surface du sol pour rejoindre la zone non saturée (Nakhaei & Šimůnek, 2014; Niyazi et al., 2023). Le taux d'infiltration dépend de la texture, de l'humidité initiale et de la structure superficielle (porosité, croûtes) ; il est initialement élevé puis diminue jusqu'à atteindre une valeur stable correspondant à la conductivité hydraulique à saturation (Keskinen et al., 2019; Marín et al., 2023; Rahmati et al., 2018) → Vocabulaire lente et la transpiration (eau verte) (Lankford & Orr, 2022).

• Optimisation de l'Eau Verte : En améliorant la santé du sol, il est possible d'augmenter la part des précipitations stockée pour la croissance des cultures, ce qui renforce la résilience face à la sécheresse (Acevedo et al., 2022).
• Le Compromis de l'Eau Bleue : Ce gain en « eau verte » peut se faire au détriment de l'« eau bleue » (recharge des nappes et débit des rivières). Par exemple, l'usage de cultures de couverture, tout en améliorant la structure du sol et l'infiltration, peut augmenter l'évapotranspiration globale et, dans certains contextes arides, réduire le stock d'eau disponible pour la culture suivante (García et al., 2025).
• Évaluation quantitative hydrologique : Il est désormais établi que les volumes d'eau nécessaires pour « créer » un sol régénéré (biomasse, humification) doivent être mis en balance avec la disponibilité réelle à l'échelle du bassin versant pour éviter des promesses de « bénéfice net » infondées (Lankford & Orr, 2022).

Les pratiques régénératrices modifient la répartition du carbone entre les réservoirs MAOM (matière organique associée aux minéraux) et POM (matière organique particulaire), ce qui influence la rétentionCapacité du sol à fixer et à conserver des molécules (eau, nutriments ou polluants) par des interactions physico-chimiques plus ou moins réversibles (Blanchoud et al., 2011). La rétention peut évoluer vers des interactions très fortes menant à la formation de "résidus liés" non extractibles, représentant jusqu'à 90 % des quantités de pesticides initialement appliquées (Blanchoud et al., 2011; Pirlot et al., 2025) → Vocabulaire d'eau du sol (Prairie et al., 2023 ; Skadell et al., 2025).

• Efficacité Quantitative : Une méta-analyse mondiale montre que le semis direct et l'intensification des systèmes de culture augmentent le carbone organique du sol de 11,3 % et 12,4 %, respectivement, en surface (0-20 cm), avec une hausse marquée du réservoir POM (+19,7 % et +33,3 %, respectivement) (Prairie et al., 2023).
• Limites de la Rétention : L'impact sur la capacité d'eau disponible reste toutefois modéré. En moyenne, une augmentation de 10 g/kg de COS n'accroît la PAWC que de 1,6 mm par 100 mm de sol dans les horizons de surface (Skadell et al., 2025).
• Plafond Mécanistique : Le réservoir MAOM, bien que plus stable, est souvent considéré comme ayant une capacité de saturation finie dictée par la texture minérale, une hypothèse toutefois débattue (Derrien et al., 2023). L'excès de carbone s'accumule alors sous forme de POM, qui est plus sensible aux changements environnementaux et à la décomposition rapide, créant un risque de réversibilité du stockage (Derrien et al., 2023).

À l'échelle du paysage, la régénération des sols modifie la connectivitéCapacité d'un réseau (notamment hyphal ou hydrique) à assurer le transfert de flux, de signaux ou d'énergie entre ses composants (Richter et al., 2024). Chez les champignons filamenteux, la connectivité est assurée par l'anastomose, permettant l'expansion du réseau mycélien pour l'exploration efficace du milieu et l'échange de nutriments entre colonies (Dikec et al., 2020; Richter et al., 2024) → Vocabulaire de l'eau et des sédiments, transformant le champ en une unité de régulation (Lankford & Orr, 2022).

• Le Sol comme « Batterie » : Un sol régénéré fonctionne comme un tampon ou une batterie, absorbant les précipitations intenses pour les relâcher lentement vers les flux souterrains et les plantes (Lankford & Orr, 2022).
• Gestion de la Connectivité : La structure du paysage (fragmentation, relief) détermine si l'amélioration de l'infiltration au champ se traduit par une réduction effective des inondations ou une meilleure recharge à l'échelle du bassin (Keesstra et al., 2023).
• Indicateurs de Performance : L'utilisation de la teneur en eau à saturation comme indicateur de la porosité permet de suivre l'évolution lente des bénéfices de l'agriculture régénératrice, souvent décalés dans le temps par rapport au changement de pratique (Sah et al., 2024).
  Cette approche systémique démontre que l'agriculture régénératrice ne doit pas être gérée en tant que simple technique de stockage de carbone, mais comme une stratégie de pilotage des compromis hydriques entre la parcelle et son environnement global.

L'agriculture régénératrice et les solutions fondées sur la nature agissent en tant que régulateurs de flux, mais elles imposent des choix stratégiques à l'échelle du bassin versant.

• La « Porte » hydrologique : L'amélioration de la structure du sol redirige l'eau bleueVolume d'eau douce provenant des ressources de surface (lacs, rivières) ou souterraines (nappes) consommé, évaporé ou incorporé dans un produit au cours de sa fabrication (Fernández et al., 2020; Wang et al., 2021). Dans l'empreinte eau d'une culture, elle se distingue de l'« eau verte » (eau de pluie stockée dans le sol) et représente la pression exercée directement sur les stocks d'eau douce disponibles (Ababaei & Etedali, 2014; Fereres et al., 2017; Mekonnen & Hoekstra, 2011) → Vocabulaire (ruissellement et recharge des nappes) vers l'eau verte (stockage dans le sol et transpiration) (Lankford & Orr, 2022).
• Coûts hydriques de la régénération : L'augmentation de la biomasse et l'usage de cultures de couverture peuvent accroître l'évapotranspiration globale (García et al., 2025). Ce phénomène, bien qu'améliorant l'infiltration locale, peut réduire le débit disponible en aval, soulignant que l'eau est souvent le « talon d'Achille » des promesses de l'agriculture régénératrice si elle n'est pas gérée avec une rigueur quantitative (Lankford & Orr, 2022).

Passer d'une gestion de crise à une gestion prédictive nécessite de nouveaux indicateurs fondés sur la santé du sol.

• Synergie sol-irrigation : Un sol « sain » (riche en MAOM et doté d'une porosité connectée) permet une utilisation plus efficace des ressources en eau irriguée en maximisant le temps de résidence de l'eau dans la zone racinaire (Acevedo et al., 2022).
• Indicateurs Dynamiques : Au lieu de simples mesures de teneur en eau, la gestion doit intégrer la connectivitéCapacité d'un réseau (notamment hyphal ou hydrique) à assurer le transfert de flux, de signaux ou d'énergie entre ses composants (Richter et al., 2024). Chez les champignons filamenteux, la connectivité est assurée par l'anastomose, permettant l'expansion du réseau mycélien pour l'exploration efficace du milieu et l'échange de nutriments entre colonies (Dikec et al., 2020; Richter et al., 2024) → Vocabulaire des pores et la capacité tampon des hydrogels microbiens, qui assurent la survie de la biomasse lors des épisodes de sécheresse (Iqbal et al., 2025).

L'espoir d'une augmentation indéfinie de la rétentionCapacité du sol à fixer et à conserver des molécules (eau, nutriments ou polluants) par des interactions physico-chimiques plus ou moins réversibles (Blanchoud et al., 2011). La rétention peut évoluer vers des interactions très fortes menant à la formation de "résidus liés" non extractibles, représentant jusqu'à 90 % des quantités de pesticides initialement appliquées (Blanchoud et al., 2011; Pirlot et al., 2025) → Vocabulaire d'eau par l'ajout de carbone se heurte à des limites minéralogiques strictes (Minasny & McBratney, 2017).

• Limite de Saturation : La capacité des minéraux à stabiliser la matière organique, cruciale pour la rétention à haute tension, est finie. À l'échelle mondiale, de nombreux sols présentent un déficit de saturation par rapport à leur capacité théorique, ce qui laisse une marge de progression pour le stockage du carbone (Georgiou et al., 2022).
• Gestion multi-compartiments : Une fois le compartiment MAOM saturé, le carbone supplémentaire s'accumule sous forme de POM, qui améliore la structure physique (porosité) mais offre une stabilité et une rétention hygroscopique moindres (Angst et al., 2023). La gestion doit donc cibler la saturation des surfaces minérales avant de viser l'accumulation structurelle (Derrien et al., 2023).

La synthèse des données actuelles plaide pour une transition d'une agronomie de « stock » vers une celle de « connectivitéCapacité d'un réseau (notamment hyphal ou hydrique) à assurer le transfert de flux, de signaux ou d'énergie entre ses composants (Richter et al., 2024). Chez les champignons filamenteux, la connectivité est assurée par l'anastomose, permettant l'expansion du réseau mycélien pour l'exploration efficace du milieu et l'échange de nutriments entre colonies (Dikec et al., 2020; Richter et al., 2024) → Vocabulaire ».

• Le concept de paysage-éponge : L'objectif ultime est de restaurer la fonction « éponge » du paysage, où chaque parcelle contribue à ralentir le cycle de l'eau sans pour autant épuiser les ressources régionales (Sah et al., 2024).
• Unification des échelles : La compréhension des phénomènes nanométriques (densité de l'eau adsorbée à 1,26 g/cm³ (Luo et al., 2022)) doit informer les modèles à l'échelle du bassin versant pour prédire avec précision la résilience des territoires face au changement climatique.
  En intégrant ces dimensions — de la thermodynamique de l'eau interfoliaire à la connectivité macroscopique — nous passons d'une vision du sol comme réservoir passif à celle d'un système vivant et réactif, capable de piloter activement les flux hydriques globaux.