Dynamique intra-annuelle de la minéralisation du carbone organique dans les sols minéraux hydromorphes et à l’échelle du versant agricole

par Kwami Emmanuel Tete

Thèse de doctorat en Sciences de l’environnement

Sous la direction de Christian Walter et de Valérie Viaud.

Soutenue en 2014

à Rennes, Agrocampus Ouest , dans le cadre de École doctorale Vie-Agro-Santé (Rennes) .

mots clés

• Pédologie

Résumé

Le réchauffement climatique est susceptible d’affecter le régime hydrique des sols et leur impact sur la dynamique de la matière organique des sols. Les sols minéraux hydromorphes caractérisés par des alternances de conditions de saturation et de non-saturation en eau sont des lieux de processus biogéochimiques et de régimes d’apport de carbone particuliers et ils jouent un rôle important dans la séquestration du carbone. Toutefois, très peu d’études ont abordé la dynamique de minéralisation du carbone organique (C) dans ces sols et le rôle du régime hydrique. L’objectif général de la thèse est de caractériser l’effet du régime hydrique caractéristique des sols minéraux hydromorphes sur la dynamique de minéralisation du carbone à l’échelle intra-annuelle et dans un contexte agricole. Le versant agricole étudié est l’un des sites de l’Observatoire de Recherche en Environnement AgrHys situé au lieu-dit Kerrolland (Naizin, France). Il présente une juxtaposition de domaine de sols minéraux mal-drainés hydromorphes et d’un domaine de sols bien-drainés avec des régimes hydriques de sol différents. Les effets des durées de saturation et des conditions de saturation transitoires (alternance de conditions de saturation et de non-saturation) caractéristiques des sols minéraux hydromorphes sur la dynamique du carbone (taux de minéralisation, dynamique des émissions de CO2, dynamique du carbone organique et inorganique dissous, dynamique couplée de l’azote) ont été évalués à travers des expérimentations en conditions contrôlées de température et d’humidité. Des mesures in-situ de la respiration hétérotrophe du sol ont été réalisées durant une année, afin de caractériser l’effet des conditions de drainage et d’hydromorphie sur la variabilité spatiale et temporelle de la minéralisation du carbone à l’échelle du versant étudié. En conditions contrôlées, la minéralisation du carbone dans les sols saturés a été deux fois moins élevée qu’en conditions de non-saturation. En conditions de saturation, la dynamique de minéralisation du C, n’a pas été affectée par la durée de saturation, contrairement à la dynamique de minéralisation du C pendant la désaturation. Les conditions de saturation ont favorisé une production et une accumulation de composés organiques labiles dont la minéralisation rapide pendant la désaturation a entraîné des pics d’émissions de CO2, plus la durée de saturation précédente est longue plus le taux de minéralisation pendant la phase de désaturation est élevé. Les conditions de saturation transitoires ont entrainé une augmentation de la quantité totale de C minéralisée, atteignant les mêmes ordres de grandeur que celle des sols maintenus en conditions de non-saturation. In-situ, en fonction des saisons, les efflux de CO2 des sols bien-drainés sont deux à cinq fois plus élevés que ceux des sols minéraux hydromorphes. A l’échelle annuelle, les régimes hydriques des sols minéraux hydromorphes ont induit une réduction de 37 à 41% des émissions de CO2–C par rapport aux sols bien-drainés. Cette étude a permis de comprendre le rôle du régime hydrique dans la dynamique de minéralisation du C des sols minéraux hydromorphes, et ces résultats pourront servir à mieux caractériser le rôle des sols hydromorphes dans la séquestration du C et les émissions des gaz à effet de serre dans un contexte de changements climatiques.

Résumé

Global warming is expected to affect soil water regime and their impact on soil organic matter dynamics. Hydromorphic minerals soils characterized by the alternation of water saturation and non-saturation conditions are the places of specific biogeochemical processes, regimes of carbon supply and they play an important role in carbon sequestration. However, very few studies have addressed the dynamics of organic carbon (C) mineralization in these soils and the role of water regime. The general objective of the thesis is to characterize the effects of hydromorphic soil water regime on the dynamics of C mineralization to the intra-annual scale and in an agricultural context. The studied site is an agricultural hillslope which is one of the sites of Environment research Observatory (ORE AgrHys) located in the Kerrolland locality (Naizin, France). It presents a juxtaposition of poorly-drained hydromorphic area and well-drained area, with different soil water regimes. The effects of the durations of saturation and transient saturation conditions (alternation of saturation and non-saturation conditions), characteristics of hydromorphic minerals soils, on C dynamics (dynamics of mineralization rate, dynamics of CO2 emissions, organic and inorganic dissolved dynamics and coupled nitrogen dynamics) were evaluated through incubation experiments. Furthermore, in-situ measurements of soil CO2 effluxes during one year, were performed in order to characterize the effects of soil drainage and hydromorphic gradient on the spatio-temporal variability of C mineralization across the studied hillslope. In incubation conditions, C mineralization in saturation conditions was two times lower than non-saturation conditions. In saturations conditions, C mineralization dynamics was unaffected by the durations of saturation, contrary to the dynamics of C mineralization during desaturation. Saturation conditions favored production and accumulation of labile organic compounds whose rapid mineralization during desaturation resulted in flush of CO2 emissions. Therefore, more the duration of previous saturation conditions is long more the C mineralization rate during desaturation is high. Transient saturation conditions resulted in an increase in the total amount of C mineralized, that reached the same orders of magnitude than that of soils maintained in non-saturation conditions. In-situ, depending on the season, well-drained soil CO2 effluxes were two to five times higher than that of hydromorphic minerals soils. At annual-scale, the soil water regime of hydromorphic minerals soils induced 37 to 41% reduction in CO2–C emissions compared with well-drained soils. This study contributes to understand the role of soil water regime in the dynamics of C mineralization in hydromorphic minerals soils. These results may be used to identify the role of hydromorphic soils