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Stockage du carbone dans les sols : mécanismes biologiques et expression dans les écosystèmes et agrosystèmes des plaines de grande culture de type Ile de France

Coordination : ABBADIE Luc - Laboratoire de géographie et d’écologie, ENS

Objectifs scientifiques

Le priming effect est la stimulation de la minéralisation de la matière organique du sol par l’apport de matière organique fraîche. Il lie le flux entrant et sortant de carbone et détermine la séquestration du C dans le sol. Le projet a pour objectif général d’étudiera le rôle de la qualité des matières organiques, de la diversité microbienne et de la prédation sur les microorganismes sur le stockage de la matière organique dans les sols, expérimentalement et in situ.

Trois objectifs particuliers seront poursuivis :

  • 1. Affiner la théorie du priming effect en testant en conditions expérimentales certains des compartiments et processus impliqués : qualité des matières organiques, diversité microbienne associée, rôle des champignons, impact de la prédation. Afin d’obtenir une compréhension générique des mécanismes régulateurs du priming effect, les expérimentations seront menées en parallèle sur le sol d’un écosystème forestier et sur celui d’un champ de céréales, en utilisant des matières végétales issues de ces mêmes milieux (feuilles mortes, pailles de blé).
  • 2. Déterminer les conditions d’expression du priming effect en situation de terrain en comparant un agrosystème et un écosystème forestier en Ile de France. On cherchera notamment à déterminer l’état des matières organiques engendrant le priming effect minimum et, donc, la séquestration maximale de carbone. L’état des matières organiques apportées sera caractérisé chimiquement (contenu en polysaccharides de faible poids moléculaire, NIRS) et biologiquement (tests de biodégradabilité potentielle).
  • 3. Synthétiser les connaissances et modéliser le priming effect dans le but de prédire son intensité en fonction des mécanismes de contrôle identifiés. Cela permettra d’évaluer le potentiel et la dynamique du stockage du carbone en fonction de la nature des résidus organiques entrants.

Ce projet permettra de mieux comprendre la liaison entre les entrées et les sorties de carbone dans le sol. Il fournira des données qui permettront d’envisager des procédures d’amélioration de l’efficacité des procédures de séquestration du carbone dans les sols, notamment dans le contexte agricole.

La problématique du priming effect a été relancée en France par notre laboratoire il y a 3 ou 4 ans. L’approche théorique que nous avons proposée a eu un certain retentissement international comme en témoigne le niveau des journaux dans lesquels nous avons publié. Ce projet permettra de conserver la position acquise sur un créneau très sensible, celui de la gestion des stocks de carbone dans les écosystèmes.

Les travaux réalisés par notre laboratoire ces dernières années sur le priming effect ont en partie reposé sur des collaborations informelles. Le projet permettra de les renforcer et de les formaliser à partir d’un co-pilotage de la thèse explicite. Les personnes impliquées appartiennent à des laboratoires franciliens (Université Paris 11) et non franciliens (Lyon, Clermont Ferrand, Copenhague). La plupart des personnes impliquées a déjà publié en commun.

Problématique et Programme de travail

Il est classiquement admis que le niveau de stockage de la matière organique dans les sols dépend du processus de minéralisation des résidus végétaux. Le sol n’interviendrait que par ses propriétés physiques qui peuvent accélérer ou retarder la minéralisation, c’est-à-dire diminuer ou accroître la teneur du sol en matière organique. Pourtant, beaucoup d’expériences ont démontré que l’apport de carbone frais (résidus végétaux) stimule l’activité minéralisatrice des microorganismes associés à la matière organique stabilisée préexistante. La minéralisation des résidus végétaux et de la matière organique du sol ne seraient pas des phénomènes indépendants, contrairement à ce qui est représenté dans la grande majorité des modèles numériques actuels (Fontaine & Barot 2005).

Cette stimulation de la minéralisation de la matière organique complexe et stabilisée du sol par l’apport de matière organique fraîche est appelée priming effect (PE). En liant les flux entrants et sortants de carbone dans le sol, elle constitue un processus majeur de détermination de la richesse des sols en matière organique et en carbone. Des travaux expérimentaux récents ont, montré que le PE pouvait conduire à un déstockage de la matière organique dans les sols pauvres (Fontaine et al. 2004a). Pourtant, les mécanismes du PE et les facteurs de contrôle de son intensité demeurent mal connus. A partir d’une analyse exhaustive de la littérature, Fontaine et al. (2003) ont proposé une théorie intégrée du PE, reposant sur la compétition pour l’accès à l’énergie entre communautés microbiennes différant par leur taux de croissance (rapide pour les microorganismes de la matière fraîche,lent pour les microorganismes minéralisateurs de la matière organique stabilisée du sol) et par le type de substrats qu’ils sont capables de dégrader (simples ou complexes respectivement).

Les facteurs de contrôle de l’intensité du PE sont nombreux. Le seul clairement démontré à est la disponibilité de l’azote minéral (Fontaine et al 2004b). Le phosphore et le potassium pourraient jouer le même rôle en influant sur le taux de croissance effectif des populations microbiennes qui dégradent les résidus végétaux frais. La nature chimique de la matière organique fraîche et celle de la matière organique du sol déterminent respectivement, la disponibilité de l’énergie dans le sol et la biodégradabilité potentielle des composés stabilisés, deux paramètres qui influencent nécessairement le PE. Tout facteur biologique qui a un impact sur la taille des communautés microbiennes qui décomposent des résidus végétaux ou minéralisent la matière organique du sol, comme la prédation ou la structure des réseaux trophiques, devrait avoir un impact sur l’intensité du PE. Ces facteurs de contrôle, la nature des communautés microbiennes impliquées et les conditions d’expression du PE demeurent largement inconnus, ce qui rend impossible la prédiction de l’intensité du PE et du potentiel de séquestration du carbone dans un sol donné (Kuzyakov 2002).

Programme de travail

- 1.1. Définir les effet des matières organiques par des incubations en microcosmes et utilisation de matériel végétal ;
- 1.2. Identifier la nature des agents microbiens ;
- 1.3. Identifier les effets des champignons dans la minéralisation du carbone des sols ;
- 1.4. Analyse des effets de la prédation testée lors d’incubations.

- 2. Décomposition du matériel végétal ;
- 3. Création d’un modèle de simulation qui permettra de prédire les capacités de stockage d’un sol donné et donc d’affiner les critères de sélections des éventuels candidats à la séquestration.

Coordinateur ABBADIE Luc