Le contrôle des émissions de N₂O par l'état structural des sols

Effect of soil structural conditions on nitrous oxide emissions

• Auteur / Autrice : Flavien Poinçot
• Direction : Isabelle Cousin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers
• Date : Soutenance le 05/04/2019
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de la recherche agronomique (France). Centre de recherches (Orléans)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Guimbaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Cousin, Christophe Guimbaud, Josette Garnier, Pierre Renault, Catherine Hénault, Vincent Chaplot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Josette Garnier, Pierre Renault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écoulement (hydrologie)

Interaction sol-atmosphère

Protoxyde d'azote

Sol, Utilisation agricole du

Mots clés libres

Sol

Structure

Protoxyde d’azote

Modélisation

Dynamique hydrique

Transport gazeux

Soil

Structure

Nitrous oxide

Modelling

Hydric dynamic

Gas diffusion

Résumé

Les sols agricoles représentent près de 66 % des émissions anthropiques de protoxyde d’azote (N₂O), 3ème gaz responsable de l’effet de serre additionnel. La variabilité des émissions mesurées au champ est élevée. La structure du sol impacte à la fois la production et le transport du N₂O dans le profil de sol. L’objectif de cette thèse était de comprendre le rôle de l’état structural du sol sur la variabilité spatiale des émissions de N₂O. La démarche utilisée associe deux types d’expérimentations en laboratoire - à l’échelle d’un bac de 0,3 m² x 0,1 m et sur une maquette de parcelle agricole de 10 m² x 0,3 m en sol nu - à un travail de modélisation intégrant des processus physiques, chimiques et biologiques dans le profil de sol et le ruissellement, le tout à une résolution temporelle fine. Ce travail a mis en évidence une hiérarchie entre les processus de production et de transport, qui évolue avec le temps et les conditions environnementales : dans des conditions favorables à la dénitrification, la production de N₂O augmente avec la masse volumique en lien avec une augmentation de la part de porosité remplie d’eau, jusqu’à une certaine limite. Le modèle déterministe a montré que la dynamique de la pluie et du ruissellement associé modifie l’intensité et la dynamique des émissions de N₂O, celles-ci étant plus tardives dans les zones avales recevant du ruissellement. Enfin, ce travail a confirmé la complexité du déterminisme des émissions de N₂O et a permis de souligner l’intérêt de caractériser la structure du sol et les émissions à une haute résolution spatiale pour améliorer la qualité des modèles prédictifs.

Agricultural soils account for 66 % of anthropogenic nitrous oxide emissions (N₂O), the 3rd greenhouse gas emitted from anthropogenic activities. N₂O emissions variability measured in-situ is quite high. Soil structure affects both N₂O production processes and N₂O movements through the soil profile. The main goal of this work was to understand the part of soil structure in soil N₂O spatial variability. Two kinds of laboratory experiments were designed: rainfall experiments on soil trays of 0.3 m² x 0.1 m and on a 10 m² x 0.3 m box with a slope. A modelling approach with a short time step was combined, involving representation of physical, chemical and biological soil processes as well as a representation of surface runoff.This work highlighted a hierarchy between N₂O production and N₂O transportation processes, which evolve with time and environmental conditions: under conditions that favor denitrification, N₂O production increases with soil bulk density due to an increase in the water-filled pore space, until a threshold limit. The deterministic modelling approach showed that rainfall dynamic and resulting runoff affect soil N₂O emissions, those emissions occurring later downslope. Finally, this work highlighted the complexity of soil N₂O emissions determinism and we pointed out that the description of soil structure at a high spatial resolution would be useful to improve modelling quality.