Importance des litières de Miscanthus × giganteus (feuilles sénescentes, racines et rhizomes) : impact de leur décomposition sur la minéralisation de C et N dans un sol

par Norbert Amougou

Thèse de doctorat en Agronomie

Sous la direction de Sylvie Recous.

Soutenue le 18-03-2011

à Reims , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences, technologies, santé (Reims, Marne) .


  • Résumé

    La nécessité de maîtriser les émissions de GES (CO2, NO), la raréfaction et la hausse du prix des carburants fossiles conduisent à envisager la substitution du C fossile par du C « renouvelable » c'est-à-dire issu de la biomasse végétale. Cette stratégie de substitution doit être durable. En particulier l’exportation massive de biomasse végétale privant le sol des restitutions de résidus végétaux (par exemple pour les pailles de céréales) ; et l’implantation de nouvelles cultures notamment des plantes pérennes (par exemple le miscanthus) interrogent sur les pratiques culturales, notamment les dates et les fréquences d’exportation, indispensables pour le maintien de la fertilité des sols et une bonne gestion des cycles biogéochimiques. Miscanthus×giganteus, plante pérenne à rhizome est une des plantes « candidate » pour la production des carburants de seconde génération, en raison de son fort potentiel de production de biomasse, y compris en conditions tempérées. Dans ce contexte l’objectif principal de ce travail de thèse était de quantifier et caractériser les litières végétales recyclées vers le sol sous culture de Miscanthus, plus précisément les feuilles sénescentes,les racines et rhizomes de Miscanthus et d’étudier la minéralisation du C et N au cours de leur décomposition. Ce travail s’est appuyé sur un essai au champ de Miscanthus×giganteus, âgé de 3 à 5ans, implanté depuis 2006 à Estrées-Mons (Nord de la France), et croisant 2 dates de récolte (une récolte précoce avant l’hiver et une récolte tardive après l’hiver en fin de cycle annuel) et 2 niveaux de fertilisation azotée (0 kg N ha-1 et 120 kg N ha-1). Tout d’abord sur les litières prélevées sur cet essai,nous avons quantifié, caractérisé biochimiquement et étudié la minéralisation en conditions contrôlées des feuilles sénescentes, rhizomes et racines. Ensuite la dynamique de chute des feuilles au cours de la sénescence, leur accumulation sous forme de mulch à la surface du sol et les cinétiques de décomposition ont été étudiées au champ pendant deux années. Enfin nous avons étudié les effets de la disponibilité de l’azote sur la dynamique du C et N, la dynamique microbienne et des fonctions enzymatiques au cours de la décomposition de ces feuilles, en conditions contrôlées. La disponibilité en N a été modulée soit en apportant de l’azote minéral, soit en apportant des quantités croissantes de feuilles pour une quantité d’azote donnée. Nous montrons que le C stocké dans les trois " compartiments " recyclés potentiellement au sol est considérable : feuilles sénescentes (1à 3 t C ha-1 par an), racines (1 à 2 t C ha-1) et rhizomes (7 à 10 t Cha-1). Les rhizomes, ont une teneur en soluble-NDS de 25 à 35% et une teneur en lignine de 11 à 15% selon les prélèvements précoces ou tardifs, et une teneur en N élevée (0.7-1.5%). On observe en 263jours à 15 °C, une minéralisation des rhizomes représentant 61±8% du C apporté, supérieure à celle observée pour les racines (36±8%) et les feuilles sénescentes (53±4%). Nous montrons l’importance des feuilles sénescentes de Miscanthus dans le recyclage de matière organique vers le sol : le scénario de récolte précoce prive le sol d’un recyclage annuel de 1-3 t C ha-1 ; d’autre part qualitativement, la faible dégradabilité observée au laboratoire pour les feuilles est confirmée au champ, ce qui conduit à la formation d’un mulch important en épaisseur (2 à 4cm) et en quantité (équivalent à 6 à 7 t C ha-1).Enfin, une forte disponibilité en N accélère la vitesse de minéralisation du C à court terme. Ceci se traduit aussi par une augmentation du C microbien et de l’ergostérol, marqueur fongique, ainsi que des activités enzymatiques liées à la dégradation du C et N (xylanase, leucine aminopeptidase). En revanche, cette disponibilité forte en N réprime l’activité laccase. Nous montrons aussi que diminuer la disponibilité relative en N pour les décomposeurs, par ajout de quantités croissantes de feuilles dans le sol conduit à ralentir la croissance microbienne et fongique. Cette situation favorise très tôt l’installation de la biomasse fongique (augmentation du rapport ergostérol/C microbien) et son activité(laccase).Ce travail montre que la culture de Miscanthus permet potentiellement une forte accumulation de C organique, ce qui est favorable au maintien de la fertilité des sols à long terme. Il est maintenant essentiel de pouvoir prédire le devenir du C des parties souterraines de Miscanthus, dans la perspective de changement dans l’utilisation des terres.

  • Titre traduit

    Importance of Miscanthus giganteus litter (senescent leaves, root and rhizomes) : impact of their decomposition on soil c and N mineralization


  • Résumé

    To control emissions of greenhouse gases (CO2, NO), fossil fuels scarcity and their rising prices lead to consider the substitution of fossil C by the "renewable" C from plant biomass. This alternative strategy must be sustainable. In particular the massive export of plant biomass depriving soil of plant residues (eg cereal straws), and the growing of new crops specially perennial crops (eg miscanthus)questioned the cultural practices (dates and frequency of biomass export) essential for maintaining soil fertility and good management of biogeochemical cycles. Miscanthus × giganteus, a rhizomatous perennial grass is dedicated to second-generation fuels production, because of its high potential biomass production.In this context the main objective of this work was to quantify and characterize Miscanthus plant litter recycled to soil, more precisely senescent leaves, roots and rhizomes of Miscanthus, and to study the C and N mineralization during decomposition of these litters. This work was performed on 3 to 5 years old Miscanthus stands established since 2006 in Northern France (Estrées Mons), either fertilized with120 kg N ha−1 year−1 or unfertilized. The sampling of litters was performed in autumn (maximal biomass production) and winter (maturity). Firstly we quantified and biochemically characterized Miscanthus senescent leaves, rhizomes and roots. Then we studied their decomposition in soil under controlled conditions (15°C, -80 kPa) during 263 days. We also investigated in the field for two years the dynamics of leaf fall during senescence, their accumulation in the form of mulch on soil surface and the kinetics of decomposition. Finally we investigated under controlled conditions the effects of nitrogen availability on C and N dynamics, microbial dynamics and enzymatic functions during the decomposition of these leaves. N availability was modulated either by adding inorganic nitrogen, or by adding increasing amounts of leaves for a given amount of nitrogen in soil.Our results showed that the C stored in the three "compartments" recycled to soil is potentially considerable: senescent leaves (1 to 3 t C ha-1 year), roots (1 to 2 t C ha-1) and rhizomes (7 to 10 t C ha-1). The rhizomes had a high NDS soluble content (25 to 35%), a high N content (0.7 to 1.5%) and low lignin content (11 to 15%) depending on early or late harvest dates. we observed after 263 days of decomposition at 15°C a higher carbon mineralization from rhizomes 61 ± 8%, than that observed for roots (36 ± 8%) and senescent leaves (53 ± 4%). We also showed the importance of senescent leavesin the recycling of organic matter in the soil: the early harvest scenario deprives the soil of an annual leaves of 1-3 t C ha-1. Qualitatively, the low degradability observed in the laboratory experiment for the leaves was confirmed in the field. This leads to the formation of an important thick layer of mulch(2 to 4cm) and quantitatively (6-7 t C ha-1). Finally, a high N availability increases the C mineralization rate in the short term which was reflected by an increase in microbial C, fungal ergosterol, and enzymatic activities related to C and N degradation of (xylanase, leucine aminopeptidase). However, this high N availability suppresses laccase activity. We also showed that decreasing N availability for decomposers by adding increasing amounts of leaves in the soil leads toslow microbial and fungal growth. However, this situation favors an early installation of fungal biomass (increased ergosterol / microbial C ratio) and their activity (laccase).This work showed that the cultivation of Miscanthus potentially allows a large accumulation of organic C which is favorable to the maintenance of soil fertility in the long term. It is now essential to predict the fate of underground C parts of Miscanthus, in the perspective of change in land use, i.e.when the Miscanthus stands is to be replaced in field by another crop.


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