Souterrain séquestration du carbone sur les talus végétalisés - Etude sur les voies de stockage de carbone dans les sols d'ingénierie

par Lorenzo matteo walter Rossi

Projet de thèse en Ecologie fonctionnelle

Sous la direction de Alexia Stokes et de Giacomo Russo.

Thèses en préparation à Montpellier en cotutelle avec l'Università degli Studi di Cassino e del Lazio Meridionale , dans le cadre de GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau , en partenariat avec AMAP - botAnique et Modélisation de l'Architecture des Plantes et des végétations (laboratoire) depuis le 19-07-2016 .


  • Résumé

    Introduction - Cadre du projet L'objectif général de cette étude est de mettre en lumière la capacité des végétationsde remblais routiers à accumuler du carbonepour réduire l'impact des émissions de CO2 d'un projet. Dans un projet d'ingénierie qui nécessite des talus végétalisés, ceux-ci sont généralement constitués d'un noyau de sol «stérile», c'est-à-dire du sol infertileen horizon profond, recouvert d'une couche de sol fertile en surface pour l'établissement de la végétation. Cependant, les sols fertiles sont une ressource limitée considérée comme «non renouvelable», et il y a une volonté croissante, d'un point de vue économique et environnemental, de réduire leur utilisation dans des projets d'ingénierie. Pour cette raison, les entreprises cherchent à évaluer la possibilité d'implanter la végétation directement sur les sols stériles, via l'inoculation de cultivars avec des mycorhizes pour faciliterleur établissement. L'impact en CO2 émis lors d'un projet d'ingénierie environnementale est un problème de plus pour les entreprisesdontl'objectif est de réduire leur empreinte Carbone. Pour cette raison, la compréhension du rôle de la végétation dans le processus de séquestration du carbone, quelles sont les formes et la quantité de carbone séquestré, et la sélection de la végétation permettantoptimiser ces processus, est centrale pour la mise en œuvre future des projets à faible empreinte carbone. En outre, il est nécessaire de comprendre si l'utilisation unique des sols «stériles» couramment utilisés pour concevoir des projets auraientun impact différent sur la capacité de séquestration de carbone par rapport à un système classique. Cette étude vise à augmenter nos connaissances en ce qui concerne le stockage souterrain du carbone par lesplantesen termes de quantité de carbone stocké, et l'identification des formesde carbone stockées et des principaux types de sols pouvant être considérés comme ‘puits de carbone'. Cette analyse sera effectuée sur le sol naturel et «stérile», pour étudier si l'utilisation du sol «stérile» peut influencer la croissance des plantes, les voies de stockage de carbone. Pour cette étude, l'analyse du système plante-sol sera divisée en trois domaines principaux: • Input: la plante est à l'origine du carbone souterrain entrant dans l'écosystème du sol. Les deux principales sources de carbone analysées dans cette étude seront la biomasse et les exsudats racinaires. • «Black Box » : «Black Box» désigne tous les processus qui ont lieu concernant le stockage du carbone du sol. Trois typologies principales de protection de carbone sont reconnues : 1) la protection chimique, lorsque la molécule est trop complexe pour être facilement consommée par les micro-organismes, 2) la protection biochimique, lorsque le carbone est absorbé sur des particules d'argile et non disponible pour la consommation microbiologique et 3) la protection physique, lorsque le carbone est stocké à l'intérieur des agrégats et est physiquement inaccessiblepour les micro-organismes. Cette étude se concentrera sur le carbone biochimique et physiquement protégé, car ce sont les voies de stockage les moins étudiées et les plus difficiles à quantifier. • Output: le domaine «de sortie» fait référence au carbone quittant le compartiment ‘sol', c'est-à-dire lecarbone issu de la respiration des microorganismes du sol et retournant à l'atmosphère sous forme de CO2. La quantification du carbone quittant le système ‘sol' permettra de dresserun «bilan carbone» des deux sols différents (naturel vs «stérile») et d'appréhender leur importance respective dans le processus de séquestration du carbone. Objectifs et questions de recherche Comme indiqué précédemment l'objectif général de cette recherche est de comprendre la capacitéde la végétation de remblai à servir de « puits de carbone » sur deux types de sols différents: naturels et «stériles». Dans ce paragraphe, la question sera divisée en différents objectifs et questions de recherche concernant les trois domaines : Input En ce qui concerne le domaine «d'entrée», nous cherchons plus précisément à évaluer (i) la quantité et la qualité des entrées de carbone dans le système, (ii) les différences entre les deux typologies de sol, (iii)et la corrélation possible entrel'architecture racinaire et la séquestration du carbone, afin de sélectionner le type d'architecture le plus pertinent pour la séquestration du carbone. L'étudesera effectuée sur les 12 espèces différentes utilisées dans les mélanges TALVEG et pour les deux sols différents. Plus précisément, les questions de recherche suivantes seront traitées: A. Y at-il une corrélation entre l'architecture des racines et de la production de la biomasse (en termes de taux d'allongement et la densité des racines)? Existe-t'il une corrélation entre les architectures des racines et le type de carbone stocké? Répondre à cette question permettrade choisir des espèces de plantesspécifiquespour la séquestration du carbone sur la base de leur architecture racinaire. L'objectif est de trouver une corrélation entre une typologie de l'architecture des racines et la quantité de carbone déplacé dans le sol. De plus, nous cherchons à comprendre s'il existe une corrélation entre l'architecture de la racine et de la formede carbone stocké (labile ou résistant). Ces informations aideraient à comprendre si l'architecture de la racine peut être un bon indicateur du potentiel de stockage du carbone d'une plante. B. Comment le sol stérile influence les entrées de carbone dans le sol, en terme de production de biomasse souterraine? L'utilisation du sol stérile à la place de sol naturel, peut influencer profondément l'entrée du carbone dans le sol en terme de production de biomasse et de taux de survie. L'objectif est de comprendre dans quelle mesure le sol «stérile» ralentit les entrées de carbone dans le sol, et s'ilseraitpossible de sélectionner une espèce dont la croissance serait faiblement impactée, permettant ainsi de conserver unecapacité de stockage de carbone correcte équivalente à celle d'un sol naturel. 'Black Box' L'analyse « Black Box» vise à faire la lumière sur deux principaux processus de séquestration du carbone: la protection physique par les agrégats du sol et la protection chimique par l'argile. Le but de cette étude est de comprendre s'il y a une différence dans les processus de séquestration entre les sols fertiles «naturels» et les sols «stériles» utilisés dans les projets d'ingénierie. En outre, deux espèces avec différentes architectures profondes seront comparées pour tester s'il y a une influence de l'architecture des racines sur les processus de séquestration du carbone. Q. Quelle est le principal type de protection du carbone (physique ou biochimique)dans les sols naturels et stériles? Et quelle est la différence dans le taux d'agrégation et de composition d'argile entre les deux sols? La typologie du sol peut profondément influencer la capacité du système à stocker le carbone. Un solprofond «stérile» peut avoir une capacitéd'agrégation ou d'absorption différente de la capacité d'un sol naturel. Notre objectif est de comprendre si le sol «stérile» permettraune prtection du carbone différente par rapport au naturel, et de quelle manière. Enfin, l'évaluation du taux d'agrégation et de composition d'argile des deux sols aidera à comprendre s'il y a une différence dans le «potentiel de protection» entre les sols naturels et stériles, ce qui signifie que le taux d'agrégation plus élevé pourrait se traduire par une protection plus élevée en carbone. E. Quelle est la différence de porositéentre le sol naturel et «stérile»? L'objectif de l'analyse de la porosité des agrégats est d'évaluer le rôle de la taille des pores et de leur distribution au sein des agrégats dans la protection du carbone, ainsi que les différences possibles entre sol naturel et «stérile». De plus, la comparaison de la porosité des micro et macro-agrégats permettra de mieux comprendreleur rôle respectifrôle dans la protection de carbone Output F. Quels sont les différents taux de respiration des sols naturels et stériles? Y at-il une différence dans les taux de respiration en fonction de l'architectures racinaire? Cette question de recherche vise à étudier la fréquence respiratoire totale des systèmes plante-sol, pour vérifier s'il y a une différence entre les deux types de sol. Si un système présente une capacité de stockage supérieure à l'autre, la fréquence respiratoire devrait être inférieure. Les différents types de sols peuvent séquestrer le carbone d'une manière plus ou moins efficace, ce qui diminue le taux de respiration. En outre, différentes architectures de racines peuvent favoriser ou inhiber l'activité des microorganismes en fonction de leur composition, les taux d'exsudation et la profondeur d'enracinement. Cette étude permettra de mesurer l'influence de ces deux facteurs sur les sorties de carbone du système sol-plante. G. Quelle est l'influence du type de sol sur l'effet d'amorçage des plantes dans le système? L'analyse des isotopes de carbone présents dans l'air respiré permettra defaire la lumière sur la source du carbone respiré. On sait queles plantes peuvent augmenter la libération de carbone dans l'air au lieu de le stockerdans le sol, du fait de ce que l'on appelle «l'amorçage». Un défi est de comprendre si l'utilisation d'un sol stérile contribuerait à réduire ou augmenter cet effet d'amorçage. L'analyse de l'airl'air provenant du sol sera effectuéepourcomprendre (en utilisant les différentes concentrations de C13 et C14) si son origine est la communauté microbiologique dérivant des plantes, ou si les plantes aident à la libération dans l'atmosphère du carbone préalablement stocké, et comment les différents sols influencent cet effet.

  • Titre traduit

    Underground carbon sequestration on vegetated embankments - Study on carbon storage pathways in engineered soils


  • Résumé

    How to hold the carbon loss from soil and how to sequester more carbon into soils has become one of the most important scientific quests in global change biology, as shown by 4P1000 program (http://4p1000.org/). Compared with the green systems, C sequestration procedures in “grey systemscompletion i.e. geo-infrastructure soils are largely lagging behind in both scientific research and practices. We argue that, in an irrevocable era of industrialization and urbanization, developing innovative low-carbon technologies suitable for geo-infrastructure industry can be a key factor in determining success of climate change mitigation. This present research proposal piloted by INRA tackles the challenge of carbon sequestration in “grey systems”, more specifically soil embankments, in the framework of the project Marie Skłodowska-Curie Innovative Training Networks (ITN-ETN) TERRE (Training Engineers and Researchers to Rethink geotechnical Engineering for a low carbon future) financed by Horizon 2020 (http://www.terre-etn.com/). TalVeg2 experiment: study on different carbon input in soils by 12 herbaceous species used on embankments in south of France One of the perks of geotechnical soils is that they allow choosing the plants used for re-vegetation. The Talveg experiment showed how species belonging to the Fabaceae family seem to be more efficient for C input into soil, aggregate stabilization and soil protection from erosion, than species belonging to Poaceae family (commonly used to re-vegetate embankments). New guidelines suggesting the use of Fabaceae species could improve the degree of soil protection and C storage in embankments. Moreover, links between root dynamics and ecosystem services have been also investigated to allow species selection. Root Elongation Rate (RER, growth velocity of roots expressed in mm/day) seems to be linked both with erosion protection and C sequestration. Therefore, to select species able to maximize the ecosystem services on geotechnical soils, a high RER seems to be advisable to increase underground colonization, C input and aboveground benefits. Emsink experiment: study on C storage potential and C cycle of subsoil brought to the surface Geotechnical soils are commonly covered with a layer of organic topsoil for re-vegetation. However, we argue that planting directly on subsoil brought to the surface could be a valid alternative to increase C storage. Due to the lower C concentration in subsoil compared to topsoil (and therefore C saturation), it is argued that they might stably protect C more efficiently in the short term due to a higher potential to form organo-mineral complexes. Medicago sativa and Lolium perenne have been grown in controlled environment with enriched 13C isotope concentration in CO2. The increased isotope concentration allows tracing the ‘new carbon' fixed by the plants and its path: from atmosphere trough the plant and finally into the soil. Organo-mineral C complexation, aggregate formation and C protection, biomass production, microbiological diversity and soil respiration have been investigated to understand the C cycle of the two soils. Subsoil shows a reduced biomass production and soil respiration. However, the source of respired CO2 (fresh or old carbon) seem more related with species selection than soil selection. Total amount of C protected in aggregate and their stability is higher in topsoil; however, 13C results shows higher amount of fresh C stored in subsoil than topsoil, supporting the hypothesis of higher organo-mineral complexation of C in subsoil (possibly on micro aggregates surfaces) due to lower C saturation levels. Results of 13C labelling of soil fractions will help to understand with more certainty the role of short term organo-mineral complexes in the two soils. The next step in the research is to test the influence of soil and species on microbiological diversity and functional activity. Subsoil might be a valid option to increase soil C storage due to their low saturation levels. However, the lower C input and aggregate protection needs to be addressed, and further studies on the effect of fertilization and species selection need to be implemented.