Mesure et modélisation spatialisées des flux de CO2 à l'interface entre le sol, les agroécosystèmes et l'atmosphère dans le contexte de la transition agroécologique

Mesure and spatialized modeling of CO2 fluxes at interfaces between soil, agroecosystems and the atmosphere in a agroecological transition context

• Auteur / Autrice : Nicolas Breil
• Direction : Thierry Lamaze, Nathalie Jarosz-Pellé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Surfaces et interfaces continentales, Hydrologie
• Date : Soutenance le 18/11/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'études spatiales de la biosphère (Toulouse ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Benjamin Loubet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Chenu, Ahmad Al Bitar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benjamin Loubet, Bernard Longdoz, Tiphaine Chevallier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Respiration

Sols

Écologie agricole

Dioxyde de carbone atmosphérique

Mots clés libres

Flux de CO2

Mesures

Agroécosystèmes

Modélisation

CO2 fluxes

Measures

Agroecosystems

Modelisation

Résumé

Le changement climatique et les modifications de l'environnement d'origine anthropique impactent notre planète à l'échelle mondiale, conduisant notamment à des perturbations climatiques extrêmes. Pourtant, les émissions de gaz à effet de serre d'origine anthropiques ne décroissent pas. Les surfaces agricoles, constituants plus de 30% des terres continentales, jouent un rôle important dans ces émissions puisqu'elles sont similaires aux rejets du trafic aérien mondial. Ces surfaces fortement anthropisés et en lien direct avec l'environnement sont des zones d'intérêt de l'impact des activités humaines. Les terres cultivables peuvent se comporter comme des puits ou des sources de carbone, notamment en fonction de la conduite agricole. L'impact des pratiques issues de l'agroécologie (non-labour, couvert intermédiaire, agroforesteries, etc.), de plus en plus utilisées en France, reste cependant mal compris notamment concernant les combinaisons de pratiques. Cette thèse s'intéresse à l'impact de pratiques agroécologiques combinées sur les stocks de carbone du sol et les émissions vers l'atmosphère de CO2 à travers la respiration du sol. Nous avons modélisé les flux de respiration du sol et adapté un ensemble d'équations permettant de représenter la dynamique des stocks et flux de carbone du sol, ainsi que l'effet priming pour des pratiques agroécologiques (non-labour combiné au couvert intermédiaire) et conventionnelles. La première partie de la thèse a consisté à réaliser un ensemble de mesures spatialisées de terrain sur des parcelles de maïs. Les deux sites étudiés sont caractérisés par des quantités de carbone très contrastées : un sol très riche en carbone en 2018 à Lalonquette (64) et un autre relativement pauvre en 2019 à Estampes (32). Chaque site d'étude est composé de deux parcelles contiguës, l'une sous itinéraire agroécologique, depuis 16 ans à Lalonquette et 19 ans à Estampes (non-labour, couvert intermédiaire), l'autre sous itinéraire conventionnel (labour, période de sol nu). Les mesures ont été réalisées sur chaque parcelle au cours de la saison permettant de caractériser la respiration du sol. A Estampes, le sol de la parcelle agroécologique contient plus de carbone et respire plus que la parcelle conventionnelle. Ainsi, les pratiques agroécologiques peuvent augmenter les stocks de carbone du sol tout en augmentant la respiration vers l'atmosphère. Sur le site de Lalonquette, les deux parcelles présentent des stocks de carbone plus important et des respirations plus faibles qu'à Estampes, mais sont similaires entre les conduites agroécologiques et conventionnelles. La combinaison de pratiques agroécologiques n'a donc pas eu le même effet sur les deux sites. L'impact positif des pratiques agroécologiques combinées sur le stockage de carbone du sol semble limité par la capacité du sol à accumuler ce carbone. Enfin, pour comprendre l'hétérogénéité spatiale des flux de respiration, une analyse de composante principale complété par une méthode d'apprentissage automatique (ou machine learning) en forêt d'arbres décisionnels (ou random forest) a été réalisée. L'hétérogénéité de la respiration du sol est principalement due aux variations de température pour la parcelle AE et température et humidité pour la parcelle Conv, confirmant les conclusions de l'analyse globale des données. Dans une deuxième partie, nous avons simulé les flux et stocks de carbone du sol pour les deux modalités de cultures agroécologie et conventionnel. Le modèle SAFYE-CO2 développé au CESBIO est capable de simuler les flux de carbone de l'échelle de la parcelle jusqu'à l'échelle régionale. Un nouveau module, COP pour " CO2 flux and Priming effect estimation ", a été développé pour le modèle SAFYE-CO2. Ce module permet de prendre en compte les stocks de carbone du sol, la respiration hétérotrophe ainsi que l'estimation de l'effet priming à partir d'un formalisme adapté du modèle ORCHIDEE-PRIM.

Climate change and anthropogenic environmental changes are impacting our planet on a global scale, leading to extreme weather events. However, anthropogenic greenhouse gas emissions are not decreasing. Agricultural surfaces, which make up more than 30% of continental land, play an important role in these emissions, since they are similar to the emissions from global air traffic. These highly anthropized surfaces, directly linked to the environment, are areas of interest for the impact of human activities. Farmland can act as a sink or source of carbon, depending on agricultural practices. The impact of agroecological practices (no-tillage, cover cropping, agroforestry, etc.), which are increasingly used in France, is still poorly understood, particularly with regard to combinations of practices. This thesis focuses on the impact of combined agroecological practices on soil carbon stocks and CO2 emissions to the atmosphere through soil respiration. We modeled soil respiration fluxes and adapted a set of equations to represent the dynamics of soil carbon stocks and fluxes, as well as the priming effect for agroecological (no-till combined with cover cropping) and conventional practices. The first part of the thesis consisted in carrying out a set of spatialized field measurements on maize plots. The two study sites are characterized by very contrasting amounts of carbon: a soil very rich in carbon in 2018 in Lalonquette (64) and another relatively poor in 2019 in Estampes (32). Each study site is composed of two contiguous plots, one under an agroecological itinerary, for 16 years in Lalonquette and 19 years in Estampes (no-till, intermediate cover), the other under a conventional itinerary (tillage, bare soil period). Measurements were carried out on each plot during the season to characterize the soil respiration. In Estampes, the soil of the agroecological plot contains more carbon and show greater soil respiration than the conventional plot. Thus, agroecological practices can increase soil carbon stocks while increasing respiration to the atmosphere. At the Lalonquette site, both plots have higher carbon stocks and lower respiration than at Estampes, but are similar between agroecological and conventional management. The combination of agroecological practices did not have the same effect on the two sites. The positive impact of the combined agroecological practices on soil carbon storage seems to be limited by the soil's capacity to accumulate carbon. Finally, to understand the spatial heterogeneity of respiration fluxes, a principal component analysis completed by a machine learning method in a decision tree forest (or random forest) was performed. The heterogeneity of soil respiration is mainly due to temperature variations for the AE plot and temperature and humidity for the Conv plot, confirming the conclusions of the global data analysis. In a second part, we simulated soil carbon fluxes and stocks for both agroecological and conventional cropping modalities. The SAFYE-CO2 model developed at CESBIO is able to simulate carbon fluxes from the plot scale to the regional scale. A new module, COP for "CO2 flux and Priming effect estimation", has been developed for SAFYE-CO2 model. This module allows to take into account soil carbon stocks, heterotrophic respiration and the estimation of the priming effect from a formalism adapted from the ORCHIDEE-PRIM model. This module allows better quality simulations of soil heterotrophic respiration fluxes by completing the representation of carbon cycle components already taken into account by SAFYE-CO2.