Échange de composés volatils biogéniques entre l'atmosphère et les cultures de blé, maïs et colza

Biogenic volatile compounds exchange between the atmosphere and wheat, maize and rapeseed crops

• Auteur / Autrice : Lais Gonzaga Gomez
• Direction : Benjamin Loubet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement
• Date : Soutenance le 17/02/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l'environnement d'Île-de-France (Paris ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Écologie fonctionnelle et écotoxicologie des agroécosystèmes (2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marie Mouchel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Fernandez, Valérie Gros
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Delon, Bernard Heinesch

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectrométrie de masse

Pollution -- Mesure

Gaz végétaux

Aspect environnemental

Plantes cultivées

Interaction sol-atmosphère

Chimie de l'atmosphère

Composés organiques volatils biogéniques

Mots clés libres

COVB

Chambre dynamique

PTR-MS

Blé

Colza

Maïs

BVOC

Dynamique chamber

PTR-MS

Wheat

Rapeseed

Maize

Résumé

Les Composés Organiques Volatils (COV) sont des acteurs importants de la chimie de l’atmosphère influençant le climat et la qualité de l’air. La végétation en est la principale source représentant 90% des émissions d’origine biogénique (COVb). Il est estimé que les couverts agricoles contribueraient à 27% des émissions totales de COVb en Europe mais ces émissions restent mal connues. Dans ce travail, les échanges de COVb par le blé, le colza, et le maïs sont étudiés, ces espèces agricoles étant les principales en France et dans le monde, en termes de surface cultivée. Des flux de COVb ont été mesurés au champ, au niveau de la plante, avec des chambres dynamiques couplées à un spectromètre de masse PTR-Qi-Tof-MS. Les échanges de 997 composés ont pu être mesurés grâce à cet instrument de haute sensibilité. Dans le Chapitre 1 nous présentons une revue des mécanismes d’émission des COVb, des méthodes de mesure de flux, des résultats expérimentaux sur les échanges de COVb pas les systèmes agricoles, et des modèles mathématiques d’émission par les écosystèmes. Dans le Chapitre 2 nous décrivons la campagne et les dispositifs de mesure. Dans le Chapitre 3 nous présentons les résultats des échanges de COVb mesurés durant une semaine pour chaque espèce. Les émissions étaient dominées par le méthanol (55-85% des émissions totales), suivi de l’acétone et l’acétaldéhyde. Les 10 composés les plus émis, hors méthanol, représentaient plus de 50% des émissions totales, et les 100 composés les plus émis plus de 90%. Les flux de COVb présentaient peu de variation intra-espèce mais d’importantes variations inter-espèces, avec des flux net totaux de 0.11±0.02 µg_COVB g_MS^(-1) h^(-1) pour le maïs, 1.5±0.7 µg_COVB g_MS^(-1) h^(-1) pour le blé, et 9.1±2.4 µg_COVB g_MS^(-1 ) h^(-1) pour le colza. Finalement les facteurs d’émission standard de l’isoprène et des monoterpènes ont été évalués pour chaque espèce, constituant les premières estimations connues pour le colza. Dans le Chapitre 4 nous étudions l’influence du stade de développement, et plus particulièrement de la senescence, sur les émissions de COVb par le blé. Nous montrons un doublement des émissions totales pendent la sénescence par rapport à la maturation, avec notamment une augmentation de la contribution de l’acétaldéhyde (1.6% des émissions totales pendant la maturation et 9.7% pendant la sénescence) et de l’acide acétique (0.7% pendant la maturation et 2.7% pendant la sénescence) aux émissions totales. Dans le Chapitre 5 nous estimons les principaux paramètres du modèle MEGAN 2.1 pour les trois espèces de plantes. Nous comparons les flux des six principaux composés mesurés pour le colza à l’échelle de la plante par les chambres dynamiques avec des mesures par Eddy Covariance à l’échelle de l’écosystème, afin d’évaluer la représentativité des mesures en chambre. Ce travail montre l’hétérogénéité des échanges de COVb par les plantes agricoles et les données générées pourront contribuer à l’amélioration des modèles d’émission.

Volatile Organic Compounds (VOC) play a key role in atmospheric chemistry influencing climate and air quality. Vegetation is the main source of VOC, accounting for 90% of biogenic emissions (BVOC). Agricultural crops in Europe are estimated to contribute 27% of total BVOC emissions but remain poorly studied. In this work, we study the exchange of BVOC by wheat, rapeseed and maize, the main agricultural species in France in terms of cultivated area. The fluxes were measured in the field at the plant level with dynamic automated chambers coupled to a PTR-Qi-Tof-MS spectrometer. Fluxes of up to 997 compounds could be measured with this highly sensitive instrument. Chapter 1 presents a review of BVOC emission mechanisms, flux measurement methods, experimental results on BVOC exchanges in agricultural systems, and mathematical models of emissions. Chapter 2 describes the measurement site and the experimental setup. Chapter 3 presents BVOC fluxes measured during one week for each species. Emissions were dominated by methanol (55-85% of total emissions) followed by acetone and acetaldehyde. The 10 most emitted compounds excluding methanol accounted for more than 50% of total emissions and the 100 most emitted compounds accounted for more than 90%. The measured fluxes showed little intra-species variation but large inter-species variations with total net fluxes of 0.11±0.02 µg_BVOC g_DW^(-1) h^(-1) for maize, 1.5±0.7 µg_COVB g_MS^(-1) h^(-1) for wheat, and 9.1±2.4 µg_COVB g_MS^(-1) h^(-1) for rapeseed. Finally, standard emission factors for isoprene and monoterpenes were evaluated for each species, constituting the first known estimates for rapeseed. Chapter 4 examines the influence of developmental stages, and particularly of senescence, on BVOC emissions from wheat. We report a doubling of total emissions during senescence compared to maturation, with, in particular, an increase in the contribution of acetaldehyde (1.6% of total emissions during maturation and 9.7% during senescence) and acetic acid (0.7% during maturation and 2.7% during senescence). In Chapter 5 the main parameters of the MEGAN 2.1 model are estimated for the three species and the fluxes of six main compounds measured for rapeseed at the plant level by the dynamic chambers are compared with measurements by Eddy Covariance at the ecosystem level in order to evaluate the representativeness of chamber measurement. This work shows the heterogeneity of BVOC exchanges by agricultural plants and the data generated should contribute to the improvement of emission models.