Modélisation de la respiration du sol dans les agro-écosystèmes

L’air qui nous entoure est invisible, silencieux, imperceptible. Il fait partie intégrante de notre environnement. L’ensemble gigantesque des molécules gazeuses qui le composent (53 milliards de milliards de molécules dans 1 cm3 d’air) vont et viennent à travers plantes et animaux ; elles réagissent, se lient, se désagrègent. L’air nous garde en vie : il nous fournit l’oxygène que nous respirons. Nous dépendons aussi de l’air pour une seconde raison : il nous garde au chaud. Certains gaz atmosphériques, comme le dioxyde de carbone (CO2), l’oxyde nitreux (N2O) ou le méthane (CH4), permettent à la chaleur du sol de rester à notre portée et de ne pas s’échapper vers les étendues glaciales de l’espace. Ces gaz à effet de serre (GES) sont essentiels, depuis des millénaires, au maintien de la vie sur notre planète.

Le cycle du carbone

A l’échelle planétaire, le carbone, présent dans la constitution de tous les êtres vivants, existe sous phases solide ou gazeuse et il se retrouve sous deux formes : organique ou minérale. Le carbone organique est produit par les êtres vivants. Un composé est dit organique lorsqu’il contient au moins un atome de carbone lié avec un atome d’hydrogène. Dans sa forme minérale, le carbone est lié à des molécules inorganiques, c’est-à-dire non issues du vivant. Un composé minéral ne contient donc pas de liaison carbone-hydrogène.

Dans l’environnement du non-vivant, on trouve le carbone organique dans les résidus de végétaux et d’animaux et dans les produits en décomposition. Le carbone minéral se retrouve principalement sous forme de CO2 dans l’atmosphère et sous forme de bicarbonate (HCO3 -) ou de carbonate (CO3 2-) dans l’eau. On le retrouve aussi sous forme de calcaire, de corail, de charbon ou de pétrole issus d’organismes fossilisés. Le cycle global du carbone correspond à l’ensemble des échanges d’élément carbone et comprend 5 réservoirs à l’échelle de la planète : l’atmosphère, la biosphère (les êtres vivants et leur milieu de vie), l’hydrosphère (séparée en eaux de surface et eaux profondes), les roches sédimentaires et les roches fossiles. Ces différents réservoirs sont caractérisés par des temps de résidence différents correspondant au temps que passe un atome de carbone dans le réservoir. Il représente ainsi la vitesse de renouvellement du réservoir. Les 5 réservoirs qui possèdent des stocks de carbone très différents sont interconnectés et des échanges de carbone quantifiés s’opèrent entre eux .

Au sein du cycle du carbone, on peut distinguer deux sous-cycles. Ainsi, le carbone minéral évolue au sein d’un cycle lent et joue un rôle important à l’échelle des temps géologiques alors que le cycle du carbone organique est plus rapide. Ces deux sous cycles sont en relation via le réservoir atmosphérique mais les transferts de carbone de l’un à l’autre sont faibles sans intervention anthropique. A l’échelle d’une vie, il n’est pas envisageable d’agir sur le cycle du carbone minéral, donc, pour limiter la hausse rapide de concentration en CO2 atmosphérique, l’attention se porte sur le cycle rapide du carbone organique.

Les flux de carbone organique les plus importants concernent principalement les échanges entre la biosphère et l’atmosphère, au niveau des surfaces continentales. Ils sont d’origine biochimique, c’est-à-dire qu’ils ont lieu au sein du vivant. Sur Terre, dans la biosphère, les végétaux sont à la base de la chaîne de pénétration du carbone. Ils absorbent le CO2 de l’air par les stomates de leur feuilles, le fixent et le transforment en glucides avec l’énergie du soleil par le processus de photosynthèse. Ces glucides sont transformés en énergie par la plante et deviennent les éléments constitutifs du tissu végétal. Le carbone intègre ensuite les herbivores puis les carnivores en étant consommé dans les maillons de la chaîne alimentaire. C’est ainsi qu’à partir de la photosynthèse, le carbone se retrouve dans l’ensemble des êtres vivants. Le carbone retourne à l’atmosphère par le biais de la respiration des êtres vivants  (ou parfois lors de la fermentation dans le cas particuliers des bactéries et des levures). Les incendies, la combustion de matière fossilisée, l’érosion sont autant d’autres processus par lesquels le carbone revient dans l’air.

L’impact des changements d’utilisation des terres 

Depuis des millénaires, le carbone s’est accumulé dans des écosystèmes naturels et vierges d’activité anthropique et y a atteint un niveau d’équilibre. Cependant, cet équilibre est instable et toute perturbation tend vers son appauvrissement en carbone. Les cultures ou l’érosion (naturelle ou forcée) appauvrissent le sol de ses matières organiques. En France, selon Antoni and Arrouays (2007)), les sols auraient perdu 53 Mt de carbone sur dix ans, soit 1,7 % de leur stock estimé. Les explications avancées sont en lien avec la conversion des prairies et forêts vers des cultures annuelles ou la modification des pratiques agricoles (travail du sol approfondi, chaulage). Ces mêmes auteurs indiquent que les observations sont semblables au niveau européen. Par ailleurs, hors d’Europe, selon le ministère de l’agriculture et de l’agroalimentaire du Canada, les riches sols des prairies canadiennes ont perdu plus de 30 % de la quantité de carbone qui y était stockée. Sont également en cause le travail du sol, l’apport moindre de carbone par les plantes cultivées par rapport aux plantes indigènes initiales et l’exportation de carbone lors des récoltes.

Les cultures ou l’érosion (naturelle ou forcée) appauvrissent le sol de ses matières organiques. Le labour mélange les couches de sol et dilue les matières organiques des surfaces riches avec les profondeurs plus pauvres. Ainsi, le sol s’appauvrit en matières organiques et la croissance des végétaux se retrouve limitée. Par conséquent, les quantités de tissus végétaux apportant la matière organique au sol sont amoindries ; les sols ne se renouvellent pas en matières organiques et sont donc plus enclin à l’érosion (Janzen (2008)).

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Table des matières

Introduction générale
1. L’atmosphère change
2. Le cycle du carbone
3. L’impact des changements d’utilisation des terres
4. Le cycle du carbone dans un écosystème agricole
5. Réaugmenter le stockage du carbone dans le sol
Chapitre I : La respiration du sol dans les agro-écosystèmes
1. La respiration du sol
1.1. Qu’est-ce que la respiration ?
1.2. Les respirations hétérotrophes et autotrophes du sol
1.3. La respiration du sol dépend des conditions environnementales
2. Mesurer et modéliser pour mieux maîtriser
2.1. Mesurer les flux
2.2. Modéliser la respiration du sol
2.3. Contenu de la thèse
Chapitre II : La modélisation de la respiration du sol
Etat de l’art
Développement et validation des modèles
1. Description des modèles
1.1. Approche empirique
1.2. Approche semi-mécaniste
1.2.1. Modélisation de la dynamique de la matière organique et du flux de carbone
associé : module Rh
1.2.2. Modélisation de la respiration racinaire : module Rar
1.2.3. Couplage des modules
2. Présentation des sites d’étude
2.1. Lamothe, France
2.2. Auradé, France
2.3. Boigneville, France
2.4. Lonzée, Belgique
2.5. Ottawa, Ontario, Canada
• Ce qu’il faut retenir
3. Les données disponibles
3.1. Mesures in situ
3.1.1. Les mesures de respiration de sol
• Systèmes de mesure manuels
• Systèmes de mesure automatisés
• Tour à flux
3.1.2. Les données climatiques
3.1.3. Caractéristiques végétales
3.2. Caractérisation du sol
• Ce qu’il faut retenir
4. Paramétrisation des modèles
4.1. Approche empirique
4.1.1. Modélisation de la Rh
4.1.2. Modélisation de Rs en période de végétation
• Ce qu’il faut retenir
4.2. Approche semi-mécaniste
4.2.1. Variables et paramètres d’entrée du modèle
4.2.2. Méthode d’initialisation des compartiments de C
4.2.3. Etude de sensibilité
5. Résultats et discussions
5.1. Approche empirique
5.1.1. Modélisation de la composante Rh
• Comparaison des différents modèles
• Paramètres Q10 et Rh (base)
5.1.2. Modélisation de Rs
• Performances des modèles
• Paramètres Q10 et Rs (base)
• Relations entre Rs et GPP
5.1.3. Représentativité temporelle du modèle
• Synthèse pour la modélisation empirique
5.2. Approche semi-mécaniste
5.2.1. Etude de sensibilité du modèle
5.2.2. Compartimentation du carbone dans les différents sites d’études
5.2.3. Validation du module Rh
5.2.4. Validation du modèle couplé Rh/Rar
5.2.5. Contributions des différents horizons de sol
• Synthèse pour la modélisation semi-mécaniste
Chapitre III : Contribution de Rs dans la respiration de l’écosystème
1. Matériels et méthodes
2. Contribution de Rh et Rar dans Rs
3. Contribution de Rs dans Réco
• Synthèse
Chapitre IV : Effet de différentes pratiques culturales sur la respiration du sol
1. Matériels et méthodes
1.1. Site d’étude
1.2. Formalisation des pratiques culturales
1.2.1 Apport de fumier
1.2.2 Effet du travail du sol
1.3. Tests du modèle
1.4. Protocoles et scenarii étudiés
Conclusion générale

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