Processus et bases biophysiques

Processus et bases biophysiques du stockage de carbone dans les sols

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).

Facteurs de variabilité des stocks de carbone dans les sols
Facteurs de variabilité des stocks de carbone dans les sols

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).

Schéma des facteurs de variabilité "pilotabmes" ou non par l'homme
Schéma des facteurs de variabilité « pilotabmes » ou non par l’homme

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.
Le stockage du carbone additionnel selon le couvert et le travail du sol
Le stockage du carbone additionnel selon le couvert et 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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