The role of stones in soil water retention

Abstract

Summary Do stones modify the pore space in soil directly, or do they interact with the fine earth fraction? The contribution of each of these phases to porosity and water retention was analysed in mixtures of glass fragments < 6 mm with a silty‐clay soil and a clay soil in the 10–80% glass range. Each mixture was prepared wet and air‐dried before being saturated with water. Water contents were measured at matric suctions ranging from 0.05 to 1000 kPa, and the bulk densities were measured in air‐dry mixtures and at a matric suction of 0.5 kPa. The volume balance calculated by subtracting the pore volume due to soil fabric from the total pore volume of the mixtures shows that a variable proportion of porosity corresponded to coarse lacunar pores. The volume of the lacunar pores was affected little by the water content and generally increased from 0.01 to 0.21 cm 3 g −1 with increasing glass content but remained less than 0.01 cm 3 g −1 in silty‐clay soil mixtures with less than 50% glass. These coarse lacunar pores retained water at suctions < 10 kPa. They were determined by two kinds of mechanisms, i.e. filling in the case of the silty‐clay soil and shrinkage in the case of the clay soil. In these two cases there were two distinct types of pores in the mixtures: fine earth pores and coarse lacunar pores. A third mechanism, i.e. substitution, occurs in mixtures with large silty‐clay soil content, and determines the predominance of the fine earth pores. A clay content of 30% in the fine earth fraction and 50% fine earth in the mixture are threshold values proposed to predict pore space modifications induced by stones in soils. Rôle des éléments grossiers dans la rétention en eau des sols Résumé Les éléments grossiers modifient‐ils directement l'espace poral du sol ou interagissent‐ils avec la terre fine? La contribution de chacune de ces phases sur la porosité et la rétention en eau est analysée sur des mélanges de verre pilé < 6 mm avec un sol argilo‐limoneux et un sol argileux dans la gamme de 10 à 80% de verre. Chaque mélange est préparéà l'état humide et séchéà l'air avant d'être saturé en eau. Les mesures sont réalisées entre 0,05 et 1000 kPa pour les teneurs en eau, à l'état sec à l'air et à la succion de 0,5 kPa pour les masses volumiques. Le bilan volumique montre qu'une part variable de la porosité correspond à des lacunes grossières. Leur volume, peu influencé par l'état hydrique, croît généralement de 0,01 à 0,21 cm 3 g −1 avec la teneur en verre mais reste inférieur à 0,01 cm 3 g −1 dans les mélanges du sol argilo‐limoneux avec moins de 50% de verre. Les lacunes grossières retiennent l'eau aux succions inférieures à 10 kPa. Ces lacunes sont déterminées par deux types de mécanismes, i.e. le remplissage avec le sol argilo‐limoneux et le retrait à la dessiccation avec le sol argileux. L'espace poral est dans ces deux cas constitué par deux types distinct de pores, les pores fins du sol et les lacunes grossières. Un troisième mécanisme, i.e. la substitution, intervient dans les mélanges riches en sol argilo‐limoneux et détermine la prédominance de la classe des pores fins. Un seuil de retrait correspondant à une teneur en argile de 30% dans le sol et une teneur de 50% de la phase sol dans le mélange sont retenus pour généraliser ces résultats.