Découvrez quels sont les mécanismes de stockage et de déstockage du carbone dans les sols

Le rapport spécial du GIEC de 2018 établit que, pour contenir la hausse de la température en deçà de + 1,5 °C par rapport à la période préindustrielle, il serait nécessaire d’atteindre la neutralité carbone à l’échelle du globe en 2050. Atteindre cette neutralité implique de réduire drastiquement les émissions de GES. Mais il s’agit également d’accroître les puits de carbone que constitue la biosphère continentale. À l’échelle planétaire, le stock de carbone organique des sols représente de l’ordre de 2 400 Gt de C. Cela correspond au triple de la quantité de carbone contenue sous forme de CO2 dans l’atmosphère (800 GtC). Et en France, le stock total de carbone organique dans l’horizon 0-30 cm des sols (hors surfaces artificialisées) est de l’ordre de 3,58 Gt de C. cela équivaut à 13,4 Gt de CO2e.

Deux facteurs majeurs déterminent le « rendement » de production de carbone organique des sols à partir des substrats initiaux : le rendement d’utilisation du carbone par les microorganismes et l’association avec les minéraux, en particulier mal cristallisés. Le temps de résidence du C dans les sols est contrôlé conjointement par la nature chimique du C entrant, l’activité des microorganismes, les interactions organo-minérales et la protection physique. Ainsi, les stocks à l’équilibre dépendent non seulement des entrées de carbone, mais aussi d’un ensemble de facteurs pédoclimatiques qui conditionnent ces processus : température, teneur en eau, teneur en oxygène, teneur en argiles, présence de certains minéraux, pH du sol… Les interactions entre plantes et microorganismes et entre communautés microbiennes affectent, voire régulent, les temps de résidence et donc les stocks de carbone.

Principaux processus contrôlant le stockage du carbone dans les sols

Le stock de carbone d’un sol est la somme de ce qui reste de chacun des apports annuels passés. Il dépend donc des flux de carbone entrant, des biotransformations de ce carbone et de ses durées de stabilisation, avant que le carbone ne quitte le sol essentiellement sous forme de CO2, produit de la respiration des organismes décomposeurs.

Entrées de carbone dans le sol : flux et nature

Flux des entrées aériennes de carbone dans le sol

Les apports aériens correspondent aux litières, restitutions de parties aériennes non récoltées, fèces et apports exogènes. Les estimations des flux de restitution au sol sont souvent fondées sur des équations d’allocation du carbone végétal aux différents organes de la plante. L’indice de récolte (HI) est la proportion récoltée de la production primaire nette aérienne, le reste étant restitué au sol. Le HI atteint des valeurs de 45 à 55 % pour les céréales très productives. L’optimisation génétique et agronomique des rendements a en général augmenté le HI. Ainsi, pour une production donnée, les restitutions au sol augmentent avec la production primaire. Mais le rapport restitution/rendement diminue quand le rendement s’accroît.

Flux des entrées souterraines de carbone dans le sol

Le flux d’apports souterrains comprennent :

(1) la biomasse racinaire

(2) la rhizodéposition qui désigne les apports de MO au sol par les racines de plantes vivantes. Le flux de rhizodéposition peut être de l’ordre de 0,2 à0,5 fois la production racinaire nette.

La figure 2-2 donne un ordre de grandeur des apports de carbone au sol en grandes cultures.

Dans les prairies et les cultures fourragères, une plus grande proportion des parties aériennes est exportée ou pâturée. Les entrées souterraines forment la majorité des apports au sol.

Ainsi, à apport équivalent, le carbone d’origine racinaire contribue donc davantage au stockage de C que le C d’origine aérienne.

Nature chimique des apports au sol

Les composés végétaux majoritaires arrivant au sol sont :

-les constituants structuraux des plantes (celluloses, lignines, pectines, protéines, lipides des cires…)

-des molécules libérées par les racines, enzymes et métabolites secondaires (composés polyphénoliques, tannins, petites molécules des exsudats racinaires).

Les composés microbiens sont globalement constitués des mêmes molécules, à l’exclusion des celluloses et lignines. Ils sont comparativement enrichis en autres polysaccharides, lipides, protéines…

Les produits résiduaires organiques non industriels sont eux composés de mélanges de molécules végétales ou microbiennes. Les composts et boues d’épuration sont par exemple enrichis en composés microbiens par rapport aux matières végétales.

Transformations des matières organiques dans le sol

Acteurs des biotransformations physiques et chimiques

On a souvent séparé l’action de la faune du sol, essentiellement mécanique, de l’action prépondérante des microorganismes, de nature biochimique. En réalité, les travaux récents montrent l’étroite complémentarité de tous les organismes vivants pour effectuer les transformations des MO dans les sols.

La macrofaune (vers de terre, fourmis…) exerce une action mécanique, de fragmentation des MO et d’incorporation au sol de la litière. Elle exerce également une action de nature biochimique. Ingérant à la fois des MO et des minéraux, les vers de terre soumettent les MO à une digestion sélective qui :

• modifie leurs propriétés,
• remanie les particules minérales,
• favorise la mise en contact entre microbes et MO,
•  excrète des mélanges organo-minéraux enrichis en mucus contribuant à la stabilité des agrégats organo-minéraux.

La présence de vers de terre peut augmenter de 30% le stock de carbone dans un sol. Les réactions biochimiques qui se produisent lors de la décomposition des MO sont réalisées principalement par les microorganismes (champignons et bactéries). Ils peuvent être libres dans le sol ou associés à la faune.

Réactions de biotransformation

Les réactions de biotransformation dans les sols sont très majoritairement des réactions chimiques catalysées par des enzymes produites par des organismes vivants du sol, et en particulier des microorganismes.

La première réaction de dégradation est la dépolymérisation oxydative, qui a lieu hors des cellules microbiennes. Elle aboutit systématiquement à une réduction de la taille des molécules, mais aussi à une augmentation de leur solubilité aqueuse et de leur réactivité chimique, propriétés clés pour leur comportement, en particulier leur capacité à s’adsorber.

L’action des enzymes extracellulaires se poursuit jusqu’à la production de composés de petite masse moléculaire (sucres, acides organiques, acides aminés). Ces composés peuvent être absorbés dans le milieu intracellulaire des microorganismes. Ils subissent alors de nouvelles biotransformations : poursuite de la dégradation oxydative jusqu’à la minéralisation ou utilisation pour la synthèse de nouvelles molécules organiques.

Les microorganismes dégradant un substrat ont besoin d’azote pour former leur propre biomasse. S’ils consomment des composés déjà biotransformés (C/N < 8-15), le système libère l’azote minéral en excès. À l’inverse, s’ils biotransforment des débris végétaux (C/N > 8-15), les microorganismes doivent prélever dans l’azote biodisponible (et donc minéral) du sol, et sont alors en compétition avec la plante (d’où la « faim d’azote » induite par l’enfouissement de pailles).

Transfert des matières organiques au sein du profil de sol

Les matières organiques sont transférées dans le profil de sol sous formes particulaire, colloïdale ou dissoute.

Bioturbation

Dans les sols non travaillés, le mélange des couches de terre est principalement lié à une action biologique appelé bioturbation. Les vers de terre en sont des acteurs essentiels. Le processus de mélange décroît rapidement avec la profondeur, pour devenir négligeable en dessous de 50 cm à l’échelle des décennies. La bioturbation est notoirement plus importante et plus profonde en prairies permanentes ou en agriculture de conservation que sous les cultures conventionnelles.

Transfert par l’eau

L’eau qui circule dans l’espace poral du sol est aussi un vecteur du transport vertical des MO dans le sol. On parle de « lessivage » pour les particules solides et de «lixiviation » pour les éléments solubles. Ces derniers peuvent alors être entraînés au-delà du profil de sol par les eaux d’infiltration.

Sorties de carbone

La minéralisation désigne les processus de transformation, dans le sol, de différentes molécules organiques en composés minéraux. La minéralisation résulte de la respiration et de l’excrétion des organismes du sol. C’est le processus de la destruction des matières organiques, et le processus majeur de sortie du carbone du sol.

Les autres processus sont la perte de carbone organique dissous (COD), et les transferts liés à l’érosion des sols. Ainsi, les exportations de C par flux de COD mesurées varient selon les sites de 2 à 50 kgC/ha/an, avec une tendance à l’augmentation. Et à l’échelle globale, on estime que la quantité de C des sols exportée par érosion est entre 0,3 et 1 GtC/an.

Stabilisation et déstabilisation des matières organiques des sols

Stabilisation des matières organiques des sol

La stabilisation des MO résulte des processus qui s’opposent à la biodégradation des composés, et finalement à leur minéralisation. La rencontre ou la réaction entre le composé organique (le substrat) et les enzymes responsables de sa dégradation peuvent être empêchées. Notamment en raison du piégeage de l’un ou de l’autre :

• dans une association avec des minéraux principalement d’argile (formation de complexes organo-minéraux) ou avec d’autres composés organiques (formation d’assemblages supramoléculaires).
• au sein d’agrégats minéraux.

Composition des MO et rendement de production de carbone organique des sols

Les MOS sont donc constituées d’un continuum de composés organiques à différentes étapes des réactions de biotransformations. Cela va depuis les matières organiques particulaires (MOP) jusqu’aux briques élémentaires du vivant (sucres simples, acides aminés, acides gras, acides organiques…). Finalement, les composés les plus aptes à être protégés des dégradations ultérieures sont les molécules les plus simples et dont le contenu en énergie est faible. Cette protection des MO dépend également des caractéristiques du sol : quantité et nature des argiles, structure et taille des agrégats.

On sait aujourd’hui que le rendement de formation de MOS n’est pas corrélé à la stabilité chimique ou à la résistance aux attaques chimiques des molécules arrivant au sol. Les composés d’origine microbienne (polysaccharides, protéines…) ont une durée de vie plus longue dans le sol que les composés structuraux des végétaux (celluloses, lignines…). In fine, les microorganismes sont donc la principale source des composés organiques stabilisés à long terme (par rapport aux végétaux).

Ainsi, deux facteurs majeurs déterminent le « rendement » de production de carbone organique des sols à partir des substrats initiaux : le rendement d’utilisation du carbone par les microorganismes et l’association avec les minéraux, en particulier mal cristallisés. L’efficacité d’utilisation du C par les microorganismes (CUE, pour carbon use efficency) estime, pour un substrat donné, la quantité de C microbien formé par rapport au C consommé pendant une unité de temps. On estime que le flux de production de matière microbienne à 0,3-0,4 fois le flux d’apport de matière végétale au sol.

Déstabilisation par priming effect

Le priming effect (littéralement « effet d’amorçage) est la stimulation de la minéralisation des MOS consécutive à un ajout de carbone, conduisant à un flux de minéralisation supérieur à la somme de la minéralisation du sol sans ajout et de la minéralisation du carbone provenant de l’ajout. L’apport de substrats décomposables complexes fournit aux microorganismes compétents la ressource énergétique qui leur permet de biodégrader les MO stabilisées. Le temps de résidence des MOS est ainsi plus court dans les parties du sol qui reçoivent beaucoup d’apports, comme en surface. Les mécanismes de priming effect sont majeurs pour la dynamique des éléments C, N et P. Théoriquement, le priming effect entraine donc un stockage de C non proportionnel aux apports, et un risque de déstabilisation de MO préexistantes par apport de carbone, notamment en profondeur.

Facteurs de contrôle des temps de résidence du carbone dans les sols

Une dizaine de facteurs principaux contrôlent l’intensité des mécanismes décrits précédemment :

• La nature du C entrant, en particulier sa biodégradabilité.
• La température. C’est un facteur majeur avec des vitesses de minéralisation multipliées par 2 à 3 pour une augmentation de 10 °C. Mais son effet est dépendant des sols.
• La teneur en eau du sol. Quand elle augmente, les vitesses de minéralisation s’accroissent linéairement avec l’humidité jusqu’à un maximum.
• La pression partielle d’oxygène
• La granulométrie. Elle est bien corrélée aux stocks de carbone aux échelles nationales en pays tempérés.
• La minéralogie
• Le pH du sol et le cortège ionique. Le pH a plus d’effet sur la physico-chimie que sur la physiologie microbienne. La présence d’ions calcium ou magnésium en solution (dominants à pH > 5) et la présence de calcaire actif tendent à insolubiliser les MO et à les adsorber. Cela réduit leur biodégradation.
• La disponibilité et l’abondance des éléments NPS (azote, phosphore, soufre).
• La biodiversité et les interactions biotiques/abiotiques qui contrôlent le devenir du C dans les sols.

Source

Sylvain Pellerin et Laure Bamière (pilotes scientifiques) et al, 2021. Stocker du carbone dans les sols français. Quel potentiel au regard de l’objectif 4 pour 1 000 et à quel coût ? Éditions Quæ, Versailles, 232 p.

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Retrouvez dans cette publication les processus et les bases biophysiques du stockage de carbone dans les sols. Le stockage de carbone des sols repose sur la dynamique de la matière organique (MO) des sols. L’équilibre entre la stabilisation des matières organiques et leur minéralisation dépend de processus liés au climat, au type de sol et aux apports organiques. Ces derniers sont déterminés par les usages et pratiques agricoles. Localement, le cycle du carbone se décline très différemment selon le contexte. Le stock de carbone des sols varie entre 5 à 350 tonnes par hectare. Quant aux stockages additionnels annuels, ils varient de 0 à à peine 2 tC/ha. Différentes méthodes permettent d’estimer un potentiel biophysique de stockage de carbone dans les sols. Pour autant, le potentiel de stockage de carbone ne dépend pas uniquement de facteurs biophysiques. Des considérations et contraintes techniques, économiques, sociales et politiques peuvent limiter le stockage additionnel espéré dans un sol.

La dynamique des matières organiques des sols à l’origine du stockage de carbone

La biotransformation des matières organiques

Les matières organiques apportées aux sols subissent des phénomènes de biotransformation. Ils correspondent à une fragmentation par la faune du sol et à une série de réactions chimiques. Ces dernières sont catalysées par les enzymes produites par les organismes vivants du sol, et en particulier par les microorganismes. Ce sont surtout des réactions de dégradation oxydative, mais aussi des réactions de biosynthèse. Les matières organiques apportés dans les sols se biodégradent de façon plus ou moins rapide en fonction de la :

• présence d’organismes décomposeurs : mésofaune (collembole, acarien) mais surtout microorganismes (bactéries et champignons),
• composition biochimique des matières organiques,
• disponibilité des nutriments dans les sols.
• condition de vie les microorganismes : température, teneur en eau (optimum à 40 % de saturation), caractéristiques des sols (texture, structure).

Les biomasses restituées au sol

Les biomasses restituées au sol ont des teneurs en azote différentes. Cela se traduit par des rapports « carbone sur azote », ou C/N, contrastés. Le rendement d’assimilation des microorganismes est la part de C assimilée par les microorganismes allouée à la fabrication de leur biomasse microbienne.

Si on considère ce rendement de 50 % avec un apport de 100 g d’une biomasse avec un rapport C/N de 10 (légumineuse). Alors, 50 g seront respirés et 50 g serviront à construire des cellules microbiennes. Pour cela, comme le C/N microbien est de 10, pour utiliser 50 g de carbone, les microorganismes ont besoin de 5 g d’azote.

Si la biomasse apportée a un C/N de 10, pour 100 g de carbone, alors elle contient 10 g d’azote. Ces derniers sont suffisants pour le fonctionnement des microorganismes. On a alors une minéralisation nette d’azote.

Par contre, en apportant une biomasse avec un C/N de 50, il n’y a que 2 g d’azote pour 100 g de carbone. Les microorganismes devront aller chercher l’azote manquant dans la solution du sol. On aura donc une immobilisation d’azote.

La persistance des matières organiques

A plus long terme, on s’aperçoit que la persistance des matières organiques ne dépend pas de leur nature chimique. Il n’y a pas vraiment de matières organiques récalcitrantes, de matières organiques « immangeables », à part les charbons. Les processus qui expliqueraient l’essentiel de la persistance des matières organiques à long terme sont :

• la protection physique,
• les interactions organo-minérales.

Ces matières organiques stabilisées par protection physique ou par interaction organo-minérales peuvent être déstabilisées, si les protections sont levées. Ces levées peuvent avoir lieu lors d’humectation, d’alternances d’humectation dessiccation, de perturbations de la structure du sol (opérations de travail du sol) ou de bioturbation. Elles peuvent l’être aussi lors de l’apport de matières organiques fraîches, phénomène que l’on appelle le priming effect. Ce phénomène est une sur-minéralisation des matières organiques déjà présentes dans le sol lorsqu’on apporte des matières organiques fraîches dans le sol. 

Les facteurs de variabilité des stocks de carbone dans les sols

Les stocks de carbone des sols sont variables selon les biomes. Ils sont faibles dans les biomes arides et plus élevés dans les biomes tropicaux humides. Cette variabilité ne s’explique pas uniquement par le stock de carbone dans la végétation. En effet, dans les biomes tropicaux humides, il y a beaucoup plus de carbone dans la végétation que dans les sols (partie gauche du graphique). Alors que dans les régions froides tempérées humides, il y a plus de carbone dans les sols que dans la végétation (partie droite du graphique).

En fait, cette variabilité s’explique par trois facteurs principaux : le climat, le type de sol et l’usage des sols.

Variabilité liée au climat

Le climat conditionne à la fois la croissance de la végétation mais aussi les vitesses de décomposition dans les sols.

Variabilité liée au type de sol

Pour le type de sol, différents facteurs interviennent :

• Texture : plus les sols sont riches en argiles et en limons, plus ils sont riches en matière organique. Cela s’explique par le rôle protecteur des argiles vis-à-vis de la décomposition des matières organiques.
• Minéralogie
• Profondeur de sol
• Caractère plus ou moins engorgé à certaines périodes

Variabilité liée à l’usage des sols

Enfin, l’usage des sols joue un rôle important. Il intervient à peu près de la même manière quelque soit le contexte climatique. Les usages se classent ainsi de la même façon. Les stocks les plus faibles sont en culture annuelle et les plus élevés en prairies permanentes et forêts.

En résumé, il existe de nombreux facteurs de variabilité dont certains sont “pilotables” par l’homme et d’autres non (schéma ci dessous).

Effets des modes de gestion sur les stocks de carbone

Premier volet d’action : augmentation de la production primaire et la photosynthèse

Le premier volet d’action est l’augmentation de la production primaire et la photosynthèse. Ainsi, il est possible d’augmenter les restitutions organiques du sol. Cela peut être fait en :

• implantant des couverts dans une rotation,
• augmentant la durée des prairies temporaires,
• enherbant vignes et vergers,
• en plantant des arbres, par la mise en place des systèmes agroforestiers.

Ensuite, il faut veiller à ne pas perdre le carbone de cette biomasse photosynthétisée en limitant les exportations excessives par une gestion raisonnée des résidus de culture.

Deuxième volet d’action : les pratiques prairiales

Un deuxième volet concerne les pratiques prairiales. En effet, la chargement animal, la densité du peuplement, la fréquence des fauches affectent l’allocation de carbone aux racines. Ils peuvent donc impacter l’incorporation de la production de carbone par voie racinaire. Cette voie est bien plus efficace soit 2,5 fois plus élevée que par la biomasse aérienne.

En effet, le carbone vient des racines (exsudats). Les racines et les poils absorbants sont en contact étroit avec les minéraux du sol. Il y a donc adsorption, piégeage, dans la microporosité du sol. Cette dernière favorise le processus de stabilisation par interactions organo-minérales et donc par protection physique. Il y a donc tout intérêt à promouvoir des systèmes permettant d’augmenter les entrées par voie racinaire. Pour ce faire, il est nécessaire de choissir des espèces (prairies, agroforesterie) ou des variétés avec un fort développement racinaire.

Troisième volet d’action : l’apport des matières organiques exogènes

Enfin, le dernier volet consiste à apporter des matières organiques exogènes (effluents, compost…). Augmenter les entrées de carbone dans les sols reste le plus efficace pour stocker du carbone (graphique ci-dessous). Toutefois, il faut également limiter les pertes de carbone. Dans ce cas, il s’agit de réduire les pertes par érosion en :

• couvrant le sol,
• réduisant le travail du sol.

Accroître le stockage du carbone dans les sols agricoles est, en principe, une démarche « gagnant- gagnant ». Cela est bénéfique pour la fertilité des sols. Et cela permet de contribuer ainsi à sécuriser la production alimentaire dans un contexte de changement climatique. Ce changement climatique menace les niveaux de production actuels. En parallèle, cela contribue à lutter contre l’effet de serre additionnel. Les stratégies pour augmenter la teneur en matière organiques des sols restent complexes. Toutes les pratiques stockantes n’ont pas la même efficacité sur le stockage du carbone. De plus, l’impact sur le stockage additionnel est variable en fonction du type de sol et du climat. Tout l’enjeu est donc de trouver un compromis entre production et stockage de carbone.

Source :

CHENU C. Processus et bases biophysiques du stocakge du carbone dans les sols Semaine 3 du MOOC Sol et Climat 2022

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La contribution des racines des plantes à l’accumulation de MO dans les sols doit être mieux évaluée. L’objectif est alors de faire la promotion de pratiques agricoles qui maximisent le stockage du carbone dans tout le profil du sol exploré par les racines. Mais le carbone des sols vient-il plutôt des racines ou de la biomasse aérienne ?

Les sols représentent le plus large puits de carbone organique des écosystèmes terrestres, contenant trois fois plus de carbone que dans la végétation qu’il porte. Si de nombreux travaux étudient les pratiques agricoles pouvant augmenter la séquestration de carbone dans les sols, les connaissances des facteurs clés déterminant le stockage de carbone à long terme dans les sols restent limitées. La relative contribution au pool de carbone des sols issue des racines versus issue de la biomasse aérienne est un aspect qui a été la plupart du temps négligé. Bien qu’il apparaisse comme un élément clé. Il oriente donc le carbone des tissus des plantes :

• soit en carbone minéralisé,
• soit dans les MOS stabilisés.

Cet article résume les recherches sur les effets des parties racinaires et aériennes sur le stockage de carbone des sols.

La contribution relative des racines au stockage de carbone est bien plus importante que celle de la biomasse aérienne

Historiquement, la question du niveau de carbone dans un sol à un niveau durable a été abordée en termes de quantité et de qualité des résidus de cultures retournant au sol chaque année. Cette approche s’est faite au détriment de l’étude de la contribution des racines. Pourtant, de récentes études suggèrent que la contribution relative des racines au stockage de carbone est bien plus importante que celle issue des parties aériennes.

Campbell et al (1991) montre que 30 années de restitution de pailles de blé ne modifient pas la concentration en C des sols. Des résultats d’un essai maïs de 30 ans ne montrent aucune différence de concentration de SOC entre une restitution des résidus et une pratique d’ensilage. Clapp et al (2000) observe que 13 années de restitution de résidus de maïs dans un système conventionnel labour non fertilisé réduit la contribution du maïs au stock de carbone organique des sols de 9,1 Mg/ha pour les racines seules à 8,7 Mg/ha pour racines + tiges.

La contribution des résidus de culture est comparativement plus faible que celle des racines

Ces trois études montrent que la contribution des résidus de culture est comparativement plus faible que celle des racines. Une simulation montre notamment que le système racinaire du maïs contribue au stockage du carbone 1,8 fois plus que sa biomasse aérienne. Ces résultats pose la question du niveau de résistance du carbone issu des racines par rapport à celui issu des parties aériennes. Une autre question est quels sont les mécanismes impliqués dans cette protection vis à vis de la minéralisation ?

La protection spécifique du carbone des racines dans les sols : études quantitatives

Des études disponibles avec des données complètes, a été construit un ratio de la contribution relative des racines versus des tiges au SOC = (Carbone du sol issu des racines / stock total de carbone dans les racines) / (Carbone du sol issu des tiges / stock total de carbone dans les tiges)

L’analyses se réalise sur des essais in situ et en incubation. Les essais in situ indiquent que la contribution au stock de carbone des racines est en moyenne 2,4 [1,5 à 3,7] fois plus élevée que celle des tiges. Cela semble confirmer le rôle dominant du carbone issu des racines dans les sols. Les essais en incubation mettent en évidence un chiffre un peu plus faible de 1,3. Mais ces essais ne reproduisent pas certains mécanismes de stabilisation de la MO qui favorise la préservation du carbone issu des racines.

Les essais et la biblio montrent également que le temps de résidence du carbone issu des racines est plus long que celui du carbone des tiges. Cela pose la question des mécanismes spécifiques qui protègent ce carbone racinaire de la minéralisation dans les sols.

Les mécanismes spécifiques de protection du carbone racinaire

Différence de niveau de “Priming effect” issu de la rhizodéposition et issu de l’incorporation de résidus de cultures

La rhizodéposition des exsudats racinaires peut mener à une accumulation ou à une consommation de carbone. Les exsudats racinaires solubles sont des composants labiles. Ils sont donc préférentiellement décomposés. La vie microbienne les utilise comme source de carbone par la vie microbienne. La libération de ces substances peut changer le taux de décomposition des MO du sol et entraîner un priming effect.

Une étude suggère que le priming effect dû à la rhizodéposition est moins important que celui dû à à l’incorporation des résidus. Ce qui expliquerait la moindre présence de carbone issu des tiges dans le sol. Mais cela n’explique pas la majorité des résultats obtenus dans les essais ci dessus.

Récalcitrance chimique

La récalcitrance chimique est généralement attribué à la présence de lignine. La décomposition de la lignine par les microorganismes nécessite des agents oxydants puissants. Or, seulement un nombre limité de microorganismes des sols sont capables de le faire.

Les racines et les tiges contiennent des molécules similaires de lignine mais en quantité différente. L’étude du ratio lignine/azote montre que le ratio des tissus racinaires est en moyenne 3 fois celui des tissus aériens. En plus de la lignine et de l’azote, d’autres éléments peuvent augmenter la récalcitrance chimique : phosphore, tannins. Les tannins sont les constituants les plus abondants après la cellulose, l’hémicellulose et la lignine. Ils sont également résistants à la dégradation biologique et très abondants dans les racines. Idem pour la subérine. Elle est un bon indicateur de l’activité des racines. Car, elle se trouve principalement dans les racines quand la cutine se trouve uniquement dans les tiges. Récemment dans les prairies comme dans forêts, un des contributeurs majeurs aux MO de ces sols identifié est la subérine.

Les essais en incubation montre que le taux de minéralisation des tissus racinaires est intrinsèquement plus faible que celui des tissus aériens. La résistance chimique spécifique des tissus racinaires explique ce taux. De plus, les tissus racinaires peuvent se décomposer aussi vite que les tissus aériens dans les sols. Mais les produits de leur transformation restent plus longtemps dans les sols. A cela, s’ajoute également une récalcitrance chimique plus élevée des tissus racinaires.

Protection physicochimique par les interactions avec des minéraux

Les interactions entre tissus racinaires et les minéraux du sol seraient le principal mode de protection du carbone racinaire. Au delà de leur simple localisation dans le sols, les racines ont des activités spécifiques qui stimulent les interactions entre les composants des racines et les minéraux du sol.

Cela se passe notamment au niveau de la coiffe racinaire. Cette dernière joue alors un rôle importante pour la libération de composés à l’interface sol/racine. Les racines décomposent deux types de matériaux :

• des exsudats solubles dans l’eau comme les sucres, les acides aminées et les acides organiques,
• des composés insolubles comme les parois des cellules, le mucilage et autres débris racinaires.

Ainsi, l’exsudation racinaire représente 7 à 8 % du carbone produit par la photosynthèse.

Les acides organiques sont labiles et minéralisés en quelques heures après leur sécrétion. Mais ces acides, du fait de leur charge négative, peuvent aussi être rapidement adsorbés sur des minéraux par des ponts cationiques. L’adsorption est d’autant plus importante dans les sols pauvres en MO. Car, la surface des minéraux n’est pas encore saturée.

Les polysaccharides extracellulaires issus du mucilage racinaire sont labiles et joue un rôle majeur dans l’agrégation des sols. Ils sont très réactifs et peuvent former de solides complexes avec les minéraux et autres molécules organiques.

Protection physique vis à vis des décomposeurs microbiens grâce à l’agrégation

Les substances organiques exsudées par les racines jouent un rôle majeur dans les interactions entre les racines, les microorganismes et les minéraux du sol. Les racines augmentent l’agrégation en enchevêtrant les particules de sol ensemble et en favorisant la biomasse microbienne. Cette biomasse produit des polymères servant d’agents de liaison.
Le carbone racinaire joue un rôle plus important que le carbone des tiges dans la formation des agrégats stables. La stabilité accrue des agrégats peut être attribuée à la production de polysaccharides rhizosphérique et/ou à l’association des hyphes de champignons avec les racines. En plus de la composition chimique du mucilage, le régime hydrique du sol joue un rôle dans la formation et la stabilité des sols adhérant aux racines.

La taille de certaines composantes des racines (notamment les poils racinaires) et l’intensité de l’activité racinaire jouent un rôle important dans la protection physique spécifique des matériaux dérivant des racines. Les propriétés des champignons mycorhiziens jouent aussi un rôle important dans la stabilisation de carbone racinaire dans les sols. La taille des microagrégats de de 1 à 10μm est également un facteur clé. La protection physique des MO résulte de deux mécanismes principaux :

• l’inaccessibilité de ces micropores aux décomposeurs microbiens,
• les conditions anaérobies qui prévalent dans ces micropores.

Protection par les ions métalliques dans les sols acides

Les MO des racines sont préférentiellement incorporées aux ions métalliques des matériaux issus de la litière racinaire. C’est le cas d’Al et de Fe particulièrement dans les sols acides de forêts (conifères). Al est un inhibiteur potentiel de la dégradation microbienne. En particulier, s’il est directement lié à de la MO. Dans les sols acides, il y a aussi un haut potentiel pour du relargage de Fe dans la solution du sol. Les MO dans la rhizosphère peuvent former des oxydes de fer, idem Pb, Cu et Ni. Cela vient en complément au rôle important des cation comme Mn, Ca et Mg. Ces derniers ont un rôle important dans la stabilisation des MOS, quelle que soit leur origine aérienne ou racinaire.

Implications pour le stockage du carbone tout le long du profil de sol

La contribution dominante des matériaux issus des racines aux MO stables s’explique par :

• un temps de résidence dans les sols plus long du carbone racinaire par rapport à celui du carbone des tiges,
• le fait que les quantités de carbone racinaire incorporées dans le profil du sol représentent une proportion importante du carbone total stocké dans les sols, du fait d’un turnover important des racines

C’est particulièrement vrai dans les agroécosystèmes en particulier dans les prairies. La contribution prédominante des racines au pool de carbone des sols augmente avec la profondeur de sol est largement issue de la subérine. Dans les horizons superficiels, la proportion entre carbone issu des racines et issu des tiges dépend pour beaucoup des pratiques de travail du sol et du temps de résidence des résidus.

Source : Daniel P. RASSE, Cornelia RUMPEL et Marie-France DIGNAC, Is soil carbon mostly root carbon ? Mechanismes for specific stabilisation Plant and Soil (2005) 269 : 341-356

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L‘impact des produits de biocontrôle sur le sol est évalué grâce au projet CEGA. Ce dernier est une action originale et particulièrement intéressante. Elle se déroule actuellement sur le Territoire Normand. Le Plan Régional Développement Agricole et Rural (AE11) finance cette action. Elle a donc permis la rencontre entre des étudiants d’UniLaSalle, des BTS ACSE du Lycée agricole d’Yvetot avec un groupe d’agriculteurs. La motivation de ce dernier est l’amélioration du bilan Carbone de leurs exploitations. Ils sont regroupés au sein du GIEE Carbone’N’Caux.

Les étudiants ont débuté le suivi de trois plateformes d’essais en 2019. Les agriculteurs du GIEE réalisent le pilotage des suivis. Les sujets abordés sur les trois parcelles correspondent aux leviers que les agriculteurs souhaitent mobiliser pour stocker du carbone dans le sol et limiter sa dispersion dans l’air, quel que soit le système de production :

• L’intensification des couverts végétaux et les cultures associées,
• La gestion des effluents et l’amélioration de la fertilisation,
• La réduction des produits phytosanitaires avec l’utilisation des produits de biocontrôle.

Cette coopération inédite permet également aux agriculteurs de bénéficier de l’expertise des étudiants et des enseignants chercheurs d’UniLaSalle du Campus de Rouen. L’objectif est donc d’évaluer de manière objective leurs pratiques innovantes. C’est aussi un moyen de présenter leur exploitation et leurs réflexions à des élèves (futurs agriculteurs, conseillers) mais aussi des chercheurs et enseignants. Pour l’enseignement, c’est aussi une manière d’enseigner l’agroécologie différent. Cette dernière se base sur du concret qui « parle » aux étudiants. Plus que des techniques, les étudiants peuvent aussi se rendre compte du « sens » que ces agriculteurs pionniers donnent à leur métier d’agriculteur.

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L’INRA a présenter les principaux résultats de l’étude pour stocker du carbone dans les sols. L’initiative 4 pour 1 000 lancée par la France à l’occasion de la Conférence de Paris sur le climat (COP21) propose d’augmenter chaque année d’un quatre millième le stock de carbone présent dans tous les sols. Un stockage annuel de 4 pour 1 000 sur 0 à 30 cm des sols mondiaux compenserait l’ensemble des émissions de la planète (environ 2 400 gigatonnes de C). Cet objectif ne doit toutefois pas dispenser de travailler sur la réduction des émissions. Il est nécessite donc de profondes évolutions des pratiques agricoles et des modes de gestion sylvicole, voire des modifications des modes d’occupation des sols et des systèmes de production.

A la demande de l’ADEME et du Ministère de l’Agriculture et de l’Alimentation, l’INRA a conduit une étude centrée sur la France métropolitaine pour estimer le potentiel de stockage de carbone de nos sols. Et ainsi identifier des pratiques permettant d’accroître leur teneur en carbone organique. Les principaux résultats de cette étude ont été présentés le 13 juin 2019.

Stocker du carbone organique dans les sols français

Le stock de carbone organique des sols français sur l’horizon 0-30 cm représente 3 580 MtC. Les sols forestiers représentent 38 % de ce stock. Les sols des prairies permanentes en stockent 22 % et ceux des grandes cultures 26,5 %. Neuf pratiques stockantes ont été étudiées. Pour les grandes cultures, il s’agit de l’extension des cultures intermédiaires, du semis direct, de nouvelles ressources organiques, de l’insertion et allongement de prairies temporaires, de l’agroforesterie, des haies. Pour les prairies permanentes, c’est l’intensification modérée et le remplacement de la fauche par le pâturage. Enfin pour les vignobles, c’est l’enherbement des inter-rangs.

La mise en oeuvre de ces neuf pratiques sur le territoire français sous climat actuel et sans modification de l’occupation des sols permettrait donc un stockage additionnel annuel de +1,9 pour mille, tous usages des sols confondus. L’essentiel du potentiel se situe en sols de grandes cultures où le stockage pourrait dépasser l’objectif de 4 pour mille.

Les pratiques du stockage de carbone

Les pratiques avec les plus forts potentiels de stockage sont :

• extension des cultures intermédiaires (35 % du potentiel total),
• agroforesterie (19 %) et
• insertion et allongement des prairies temporaires (13 %).

Le semis direct permet bien un stockage dans l’horizon labourée. Mais l’étude considère que cet effet disparait quand on regarde l’ensemble du profil. Cette disparition est du fait de la redistribution verticale du carbone.

La mise en oeuvre de ces pratiques représente souvent un coût pour les agriculteurs. L’étude montre alors que, sans incitation, le stockage additionnel reste faible par manque d’adoption des pratiques. Au-delà du coût, la mise en oeuvre de ces pratiques nécessite de tenir compte des contraintes organisationnelles au sein des exploitations. Elle demande donc une approche plus systémique du changement technique dans les entreprises agricoles. Une réflexion sur le mise en place d’une politique incitative doit également être menée.
Enfin, dans cette étude, même avec des hypothèses de calcul optimistes, le stockage additionnel de carbone obtenu par la mise en oeuvre de ces pratiques ne compense que partiellement les émissions de GES du secteur agricole. Il reste donc nécessaire de travailler en parallèle sur les leviers de réduction des GES.

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