Effets des changements climatiques sur la dynamique de décomposition microbienne du carbone organique du sol en prairie subalpine calcaire

par Jérémy Puissant

Thèse de doctorat en Modèles, méthodes et algorithmes en biologie, santé et environnement

Sous la direction de Jean-Jacques Brun.

Soutenue le 21-09-2015

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (France) (laboratoire) et de Institut national de recherche en sciences et technologies pour l'environnement et l'agriculture (laboratoire) .

Le président du jury était Christiane Gallet.

Le jury était composé de Jean-Jacques Brun, Lauric Cécillon, Raphaël Gros.

Les rapporteurs étaient Thierry Gauquelin, Annette Bérard.


  • Résumé

    Les sols de montagne constituent un réservoir majeur de carbone stocké sous forme de matière organique (carbone organique du sol, COS), potentiellement hautement vulnérable aux changements des conditions climatiques. Afin de comprendre les répercussions des changements des conditions climatiques sur la dynamique du COS des sols de montagne, cette thèse s'appuie sur une expérimentation de transplantation altitudinale de monolithes de sol de prairie subalpine calcaire, mise en place dans le Jura Suisse en 2009. Cette expérimentation permet de simuler deux scénarios réalistes de changements climatiques attendus au cours du 21éme siècle, visant à réchauffer et assécher le climat (+2°C et +4°C ; -20% et -40% de précipitations).La démarche conceptuelle de cette thèse a été d'étudier les effets des changements des conditions climatiques (variations saisonnières et manipulation climatique) au bout de quatre années d'expérimentation sur (i) la dynamique des communautés microbiennes et de leur activité enzymatique de décomposition du COS, (ii) la dynamique de différents pools de COS qui constituent la ressource énergétique des micro-organismes décomposeurs, (iii) les interactions s'établissant entre les communautés microbiennes et leurs ressources énergétiques et (iv) les stocks de COS du sol.Nos résultats montrent une très forte dynamique saisonnière du processus de décomposition microbienne se traduisant par de fortes activités enzymatiques de décomposition, une biomasse microbienne plus importante et une structure des communautés microbienne différente lors de la saison hivernale par rapport à la saison estivale. Ces résultats sont en lien avec la dynamique observée des pools les plus labiles du COS (C organique extractible à l'eau et C organique particulaire libre), et des modèles d'équations structurelles montrent que les conditions climatiques (variations saisonnières et manipulation climatique) modifient les interactions s'établissant entre les communautés microbiennes et leurs ressources pour contrôler la décomposition enzymatique du COS.Enfin, ce travail de thèse montre une forte diminution des concentrations en COS sous l'effet de la manipulation climatique, qui ne peut être expliquée par une décomposition microbienne accrue du COS. Au contraire, nos résultats suggèrent que la diminution de la concentration en COS pourrait être due à l'accélération des processus pédologiques naturels sous les scénarios de changement climatique au sein de ces sols calcaires de prairies subalpines, avec une décarbonatation accrue favorisant la lixiviation du carbone organique dissous et le lessivage du pool de COS associé aux argiles. Ces résultats inédits offrent de nouvelles perspectives de recherche sur les effets des changements climatiques sur l'évolution des stocks de COS.

  • Titre traduit

    Effect of climate changes on microbial organic carbon decomposition dynamic in subalpine calcareous grassland


  • Résumé

    Mountain soils stocks huge quantities of carbon as soil organic matter (SOM) which may be highly vulnerable to climate change and thus alter the atmospheric greenhouse gases concentration at a decadal timescale. To understand the effect of climate conditions on the dynamics of mountain soil organic carbon (SOC), a climate change experiment was set up in October 2009 in Swiss Jura subalpine grassland soils. The climate change experiment (soil transplantation) simulated two realistic climate change scenarios, with increased air temperatures ranging between 2 °C and 4 °C and decreased precipitation ranging between 20% and 40%. These changes reflect current predictions of climate change for the 21th century in temperate mountain regions.We studied the effect of climate conditions (climate manipulation and seasonal changes) after four years of climate experiment on (i) the dynamic of microbial decomposition, microbial abundance and community structure, (ii) the dynamic soil organic matter pools with contrasted turnover rate and representing the energetic resource of microbial communities, (iii) the interactions between microbial communities and soil organic matter pools and (iv) the soil organic carbon stocks.This work shows a strong seasonal dynamics of microbial decomposition with higher enzymatic activities, higher microbial abundance and shift of microbial community structure in winter than in summer. These results were linked to the seasonal organic matter labile pools dynamics. Moreover structural equation modeling shows that climate manipulation differently influences the drivers of SOC enzymatic decomposition in summer and winter.Finally, this work shows a strong decrease of soil organic carbon concentration under the climate change manipulation which cannot be explained by an increase of microbial activities. In contrast, our results suggest that the observed climate-induced decrease in bulk soil organic C content was due a SOC decrease in the most biogeochemically stable SOM fraction associated with a decrease in clay content and a decrease of soil calcareous concentration. Thus, our results hint more so towards an effect of SOM leaching (Gavazov, 2013) to explain the climate effect on SOC content than an effect of microbial and/or plant activities.


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