Pourquoi la matière organique persiste-t-elle dans les sols ?

Mercredi, 16 novembre 2016

Les mécanismes contrôlant la persistance du carbone organique dans les sols viennent d’être révélés par une équipe internationale(1) pilotée par le CNRS. Grâce à l’analyse d’une collection d’échantillons de sol exceptionnels, les chercheurs ont pu mettre en évidence une origine énergétique à la persistance du carbone : le carbone organique stable serait laissé de côté par les micro-organismes décomposeurs du sol en raison de son trop faible contenu énergétique. Ces résultats ont permis d’initier un projet de norme ISO visant à quantifier la durabilité du carbone stocké dans les sols. Ils ouvrent également la voie à une nouvelle génération de modèles de la dynamique du carbone dans les sols basés sur son énergie.

Malgré le rôle central qu’elle joue dans la fertilité des sols et dans la prévision de l’évolution de la concentration en CO2 atmosphérique au XXIe siècle, la dynamique de la matière organique dans les sols reste mal comprise. Les sols contiennent une grande variété de matières organiques dont les temps de résidence sont très divers (de quelques heures pour les matières organiques les plus labiles à plusieurs décennies ou siècles pour les matières organiques les plus stables). Malgré plusieurs décennies de travail sur le sujet, les mécanismes expliquant la persistance de la matière organique dans les sols demeurent activement discutés, ce qui limite fortement notre capacité à prédire l’évolution des stocks de carbone du sol dans le contexte des changements globaux.
Représentation schématique de l’évolution au cours du temps de la teneur en carbone organique d’un sol mis en jachère nue de longue durée. © Pierre Barré Un premier pas décisif vers la compréhension de cette persistance serait de pouvoir caractériser la matière organique stable sur plusieurs décennies. Malheureusement, toutes les tentatives d’extraction chimique ou physicochimique des matières organiques stables se sont soldées par des échecs. La technique idéale pour séparer les matières organiques stabilisées depuis plusieurs décennies du reste de la matière organique du sol serait d’empêcher toute entrée de carbone dans le sol et d’attendre pendant plusieurs décennies que les matières organiques les plus labiles se décomposent. C’est précisément le principe des expériences remarquables de jachère nue de longue durée (i.e. parcelles maintenues sans aucune végétation durant plusieurs décennies), dans lesquelles les entrées de carbone dans le sol sont arrêtées, alors que la décomposition des matières organiques initialement présentes se poursuit. L’échantillonnage et l’archivage réguliers des prélèvements de sol effectués pendant ces expériences permettent de disposer de séries d’échantillons contenant des matières organiques stabilisées, par construction, depuis au moins la date de mise en place de la jachère nue.

Une équipe internationale de chercheurs(1) a rassemblé une collection de plus de 70 échantillons provenant de cinq sites de jachères nues de longue durée situés dans différents pays : Askov (Danemark), Grignon (France), Rothamsted (Royaume-Uni), Ultuna (Suède) et Versailles (France). Cette équipe a réalisé, pour la première fois, une caractérisation chimique et énergétique à l’aide de techniques de pointe (pyrolyse Rock-Eval, calorimétrie à balayage différentiel et spectroscopies X et IR) d’échantillons contenant de la matière organique ayant persisté pendant des durées allant jusqu’à 80 ans.
Les résultats montrent que la matière organique stable à l’échelle de plusieurs décennies a une signature énergétique claire, qui ne dépend pas du contexte pédoclimatique : elle brûle à plus haute température et sa combustion libère moins d’énergie que la matière organique labile. En revanche, mise à part une réduction du nombre de liaisons C-H, elle ne présente pas de caractéristique chimique bien définie.

(À gauche) Évolution avec la durée de la jachère nue de la température à laquelle 50 % du carbone organique du sol a été brûlé pendant la phase d’oxydation de l’analyse Rock-Eval. (À droite) Évolution avec la durée de la jachère nue du contenu en énergie de la matière organique du sol mesuré à l’aide d’un calorimètre à balayage différentiel. © Barré et al., 2016

Le plus faible contenu en énergie de cette matière organique stable pourrait être dû à son appauvrissement en liaisons C-H riches en énergie ou à sa plus forte interaction avec la matrice minérale du sol.

Ce travail fournit, pour la première fois de manière aussi claire, une explication énergétique à la stabilité du carbone dans le sol : le carbone stable serait laissé de côté par les micro-organismes du sol en raison de son trop faible contenu énergétique.
Les perspectives de ce travail à court et moyen terme sont très riches. À court terme, ces résultats sont actuellement utilisés dans le cadre d’un projet de norme ISO qui tente de proposer une méthode normée permettant de déterminer les quantités de carbone labile à l’échelle de 20 ans et de carbone stable à l’échelle séculaire. À moyen terme, ce travail pourrait constituer un point de départ pour des modélisations plus réalistes de la dynamique du carbone dans les sols, car basées sur le contenu énergétique de la matière organique.

Note(s): 
  1. Les laboratoires/organismes impliqués dans cette étude sont les suivants : Laboratoire de géologie de l’ENS (LG-ENS/Ecce Terra, ENS-Paris / CNRS), University of Pennsylvania (USA), Écosystèmes montagnards (EMGR, UGA, Irstea), Écologie fonctionnelle et écotoxicologie des agroécosystèmes (ECOSYS, INRA /AgroParisTech), Institut des sciences de la Terre de Paris (ISTEP/Ecce Terra, CNRS / UPMC), Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC, CNRS / UPMC / IRD / MNHN), Aarhus University (Denmark), Direction productions et énergies durables (ADEME), Swedish university of agricultural sciences (Suède), Unité matériaux et transformation (UMET, USTL / ENSC Lille / CNRS / INRA) et Rothamsted research (Royaume-Uni).
Source(s): 

Barré P., Plante A.F., Cécillon L., Lutfalla S., Baudin F., Bernard S., Christensen B.T., Eglin T., Fernandez J.M., Houot S., Kätterer T., Le Guillou C., Macdonald A., van Oort F. & Chenu C. (2016) The energetic and chemical signatures of persistent soil organic matter. Biogeochemistry, 130: 1-12.

Contact(s):
  • Pierre Barré, LG-ENS/Ecce Terra
    barre [at] geologie [dot] ens [dot] fr, 01 44 32 22 94

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