Modélisation de la respiration du sol dans les agro-écosystèmes

Modeling soil respiration in agro-ecosystems

• Auteur / Autrice : Émilie Delogu
• Direction : Valérie Le Dantec, Patrick Mordelet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Écologie fonctionnelle
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sols -- Microbiologie

Modèles mathématiques

Écosystèmes

Écologie agricole

Mots clés libres

Modélisation

Respiration du sol

Agro-écosystèmes

Respiration hétérotrophe

Respiration autotrophe

Flux de CO2

Résumé

Le rôle des écosystèmes agricoles - représentant environ 1/3 des terres émergées - dans la régulation du cycle du carbone est une question cruciale posée par la société aux scientifiques. L'étude de la respiration du sol, de ses composantes et de ses mécanismes doit permettre de fixer les bases de la compréhension du fonctionnement carboné du sol puis de l'écosystème agricole en lien avec les questions de réduction des émissions et de stockage de carbone atmosphérique. Les échanges de carbone du sol font d'ailleurs l'objet d'efforts de recherche récents très poussés, tant leur dynamique et leur variabilité sont encore mal connues. Aujourd'hui, il est difficile d'estimer l'efficacité des pratiques expérimentales et aucune méthode n'a encore été reconnue comme référence. La compréhension des sources des émissions et de leurs fluctuations est cruciale pour l'estimation du potentiel de séquestration du carbone par les sols agricoles via l'application de pratiques culturales appropriées. Dans ce contexte, la modélisation s'avère être un outil incontournable pour quantifier les flux (approche empirique) mais aussi pour orienter les recherches vers des domaines où la faible compréhension des mécanismes rend aléatoire l'établissement du bilan carboné (approche mécaniste). La démarche retenue pour ce travail fait appel à la modélisation théorique selon deux approches (empirique et mécaniste) définies pour satisfaire à différents compromis entre précision, généricité et réalité. Le développement de modèles empiriques, sur 5 sites d'étude aux conditions pédoclimatiques différentes, montre l'importance de lier la respiration à plusieurs facteurs abiotiques et biotiques afin d'obtenir des prédictions génériques et robustes. Ainsi, un modèle de respiration hétérotrophe Rh paramétré à l'aide des variables climatiques de température Ts et d'humidité ?s s'est avéré convaincant alors que la modélisation de la respiration du sol Rs n'a pu être satisfaisante qu'à condition de prendre en compte un indice de croissance de végétation supplémentaire (GPP). L'approche empirique n'a cependant pas permis d'évaluer correctement les contributions des différentes composantes de Rs. Le modèle semi-mécaniste décrivant finement les processus a été validé sur 3 sites aux conditions pédoclimatiques contrastées et a permis l'estimation des contributions des sources hétérotrophe et autotrophe au sein de la respiration du sol. Ainsi, Rh représente entre 63 % et 66 % de Rs pour une saison de culture de blé d'hiver et entre 52 % et 56 % de Rs pour une saison de culture de blé de printemps. La contribution de la respiration du sol dans le bilan écosystémique est évaluée entre 33% et 43% pour une culture de blé d'hiver et à hauteur de 50 % pour du blé de printemps. Ce modèle, une fois développé pour intégrer différentes pratiques culturales (fertilisation et travail du sol), a aussi permis de démontrer que les dynamiques de stockage/déstockage du carbone du sol et des émissions de CO2 du sol sont davantage conditionnées par l'apport de matières organiques (fumier, résidus de cultures) que par le travail du sol lui-même.

Around 1/3 of the Earth land surface is used for croplands. Their role in the carbon cycle is a crucial issue for scientists today. In the context of global warming, understanding the factors influencing carbon fluxes of agricultural soils and their components is essential for implementing efficient mitigation practices. The CO2 produced at the soil surface results from several respiratory processes making the evaluation of the existing methods complicated. Understanding the soil respiration sources and their dynamics are crucial issues to estimate the potential for carbon sequestration into soils via efficient cultural practices. Because of its major role in carbon loss over croplands, soil respiration modeling received much attention to quantify the fluxes (empirical modeling), to highlight the lack of knowledge and to guide researches (mechanistic modeling). In this study, empirical and semi-mechanistic models were carried out depending on how precise, generic or real the model should be. Using abiotic and biotic factors was essential to properly model respiration among five sites with different soil and climate. The Rh sensitivity to Ts and ?s was adequate to obtain satisfying predictions over bare soils but the dependency of Rs on an indicator of the vegetation growth (GPP) was necessary to improve the predictions during crop periods. The empirical approach could not allow a good and reliable estimation of the contributions of the different components of Rs. Semi-mechanistic model was tested on 3 sites with various climatic and soil conditions. This approach allowed a good assessment on the heterotrophic and autotrophic contributions since it described more carefully the soil respiration and its underlying processes. Rh accounted for 63 % to 66 % of Rs for winter wheat culture whereas it accounted for 52 % to 56 % for a spring wheat rotation. Rs represented 33 % to 43 % of the total ecosystem respiration balance during winter wheat season and about 50 % for spring wheat. The semi-mechanistic model was developed to simulate the effects under different cultural practices as fertilization (manure) and tillage systems. It was concluded that carbon sequestration and carbon dioxide fluxes were more affected by soil organic matter inputs than by the tillage system itself.