UPThèses

Les prairies peuvent contribuer à l'atténuation du changement climatique par la séquestration du carbone organique dans le sol (COS). Cependant, l'ampleur de cette séquestration dépend des pratiques de gestion et des conditions pédoclimatiques. Le pâturage et le fauchage sont tous deux des techniques de récolte, mais leur effet sur le système plante-sol peut être différent. Dans ce contexte, l'objectif général de la thèse était de déterminer l'effet du pâturage et du fauchage sur la qualité de la matière organique du sol (MOS) et les processus biogéochimiques du sol dans des conditions pédoclimatiques contrastées. Pour cela, j'ai analysé les paramètres du sol et des végétaux en pâturage et en fauchage sur deux sites expérimentaux de SOERE ACBB à Lusignan et Clermont Ferrand. Mes résultats indiquent que les pratiques de gestion des prairies ont modifié la chimie des plantes, en particulier sa teneur en lignine, ce qui se traduit par une meilleure qualité de la litière végétale sous pâturage par rapport au fauchage. Cependant, la composition de la lignine du sol n'était pas liée à la composition de la lignine des parties aériennes et des racines, ce qui suggère que la lignine du sol est contrôlée par la décomposition microbienne. De plus, la gestion des prairies a influencé la quantité de la biomasse racinaire, qui contrôlait par conséquent le fonctionnement microbien. Les conditions pédoclimatiques ont déterminé les effets de la gestion des prairies sur le COS et l'azote: le pâturage a entraîné une teneur en COS plus élevée que le fauchage dans un sol pauvre en C, tandis que dans un sol riche en C, les deux ont abouti à des teneurs en COS similaires à celles des prairies non aménagées. Cependant, quelles que soient les conditions pédoclimatiques, le fauchage a conduit à une SOM plus dégradée et un fonctionnement microbien moins efficace par rapport au pâturage. Pour conclure, le pâturage et le fauchage ont le potentiel d'augmenter la séquestration du COS, bien que le pâturage ait un plus grand potentiel dans les sols pauvres en C, ce qui peut s'expliquer par les effets contrastés sur les processus biogéochimiques du sol.

La séquestration du C dans les sols réduit les effets du changement climatique, et améliore la qualité du sol. L'introduction des prairies temporaires dans le cycle des cultures pourrait améliorer les matières organiques du sol (SOM). L'objectif de la thèse était d'évaluer l'impact des modes de gestion de prairies temporaires sur la quantité, la composition et les processus de stabilisation des SOM et les émissions de gaz à effet de serre (GHG). Mes résultats montrent un arrière effet de la gestion des prairies temporaires sur les SOM après 3 ans de culture. La durée des prairies influence la quantité et la composition de la biomasse microbienne ainsi que la nature des SOM. La fertilisation en N de la prairie est nécessaire à la séquestration du C dans le sol sans augmenter les émissions de GHG. Pour remplacer la fertilisation en N minérale, des légumineuses peuvent être utilisées. En conséquence, je me suis intéressée à l'effet de la luzerne sur les formes de C, de N et de P dans les sols sous mélanges luzerne-graminées. Mes résultats indiquent une absence d'augmentation du stock de C dans les sols sous mélanges comparés aux monocultures de graminées fertilisées, malgré une plus forte productivité de la luzerne. Les biomarqueurs moléculaires indiquent que l'introduction de la luzerne en prairie influence la dégradation des SOM plus que leur stabilisation. De plus, la luzerne influence fortement les formes du P dans les sols sous mélanges. Ainsi, lors de l'introduction de prairie dans les cycles de culture, il est important d'optimiser les modes de gestion afin de faire le bon compromis entre le stockage du C, les émissions de GHG et l'utilisation d'engrais.

La matière organique dissoute (MOD) peut par ses propriétés physico-chimiques et biologiques jouer un rôle prépondérant dans le devenir des polluants organiques dans le sol. Sa réactivité vis-à-vis des phases solide et liquide des horizons profonds du sol est fortement conditionnée par la dynamique de formation et de décomposition de la matière organique entrante. Dans les agrosystèmes soumis à l'influence anthropique, il est difficile de cerner les modifications engendrées dans la redistribution et la qualité du carbone organique dissous (COD) et les polluants organiques qu'il peut mobiliser vers les eaux souterraines. Ce travail cherche à étudier la variabilité spatio-temporelle de la MOD et les processus qui peuvent l'impliquer dans le devenir des polluants organiques dans les horizons profonds du sol. Deux modes de gestion des sols correspondant à des contextes agricoles contrastés ont été retenus pour cette étude : l'un concernant la mise en place de prairies temporaires dans les rotations céréalières pour diminuer les risques liés à la qualité des eaux souterraines (SOERE-ACBB Site de Lusignan, 86, Cambisol) et l'autre, l'apport de produits résiduaires organiques, PRO (composts) sur des rotations céréalières dans un contexte de valorisation agricole de ces produits (SOERE-PRO, Site Qualiagro à Feucherolles, 78, Luvisol). Les résultats ont révélé l'influence de la variabilité saisonnière et des modes de gestion sur la dynamique de formation de la MOD. Ils montrent dans les lixiviats de terrain des concentrations de COD globalement faibles (≤13.5 mg l-1) qui augmentent en début des saisons hivernales et printanières. Elles sont plus élevées dans le profil du Luvisol soumis aux amendements organiques (+5.2 mg l-1) comparé au témoin (sans amendement). La caractérisation par les méthodes de spectro-fluorescence et de chromatographie d'exclusion stérique a indiqué une faible influence des modes de gestion sur la composition de la MOD. Les chromatogrammes et les mesures d'UV-absorbance ont permis de constater des différences entre les conditions expérimentales de laboratoire et celles au champ. Certaines caractéristiques de la MOD des lixiviats de terrain diffèrent de celles de la MOD des extraits de l'horizon de surface de sol au laboratoire suggérant l'hypothèse d'une forte interaction de la MOD de surface à la phase solide des horizons profonds du sol au cours du processus de lixiviation. Cette interaction quantifiée par l'adsorption s'est avérée globalement très forte (75-86%), quasiment similaire entre les horizons profonds du Cambisol, mais augmente avec la profondeur dans le Luvisol. Aucune différence significative entre l'adsorption de MOD des différents traitements étudiés n'a été observée. Ces résultats peuvent s'expliquer par les gammes de concentrations de COD relativement faibles (0-36 mg l-1) utilisées dans nos expérimentations. En ce qui a trait au comportement des polluants organiques dans le profil du sol, nous avons montré que l'adsorption de l'herbicide dicamba, très faible au Cambisol et négligeable dans le cas du Luvisol, est fortement régulée par le pH du sol. Par ailleurs, l'adsorption des pesticides isoproturon et diflufénican diminue avec la profondeur du sol et est principalement conditionnée par la présence de matière organique. Contrairement aux pesticides, le dibutyl-phtalate qui est un polluant organique retracé dans les parcelles amendées par du compost est plus retenu en profondeur grâce à la fraction minérale du sol. L'adsorption des polluants organiques a été expérimentée en présence de la MOD extraite du sol à partir des différents traitements étudiés.

L'augmentation de la concentration en CO2 atmosphérique due à la combustion des ressources fossiles et à la déforestation est aujourd'hui l'un des grands problèmes environnementaux. Pour stocker du carbone et ainsi diminuer la concentration du CO2 émis par l'activité humaine dans l'atmosphère, il faudrait pouvoir agir sur les puits de carbone situés dans la biosphère continentale. Le plus grand réservoir superficiel de carbone de la biosphère continentale est le sol, qui stocke 1500 Mt de carbone. Le potentiel des sols français à stocker du carbone est actuellement évalué pour l'horizon labouré, i.e. les premiers 30 cm. Toutefois, des travaux récents ont montré qu'une proportion importante du carbone des sols est stockée dans les horizons B et C. Le rôle précis du carbone organique soluble ou COD (Carbone Organique Dissous) dans la stabilisation et/ ou déstabilisation du carbone des horizons profonds, est indispensable pour pouvoir adapter les modes de gestion des terres et les systèmes de culture afin d'augmenter le stock de carbone dans les sols. Malgré une littérature abondante, les études concernant les COD sont principalement limitées aux sols des écosystèmes forestiers et surtout à l'échelle du laboratoire. Les résultats obtenus n'ont jamais été confirmés sur le terrain. L'objectif général de cette thèse est de mieux définir la proportion des matières organiques hydrosolubles des différents horizons d'un sol arable et préciser leurs principales caractéristiques structurales. Ce travail prend en compte l'importance du mode de pratique cultural et l'impact des périodes de sécheresse prolongées en particulier au niveau des horizons profonds. Différentes techniques analytiques (spectrofluorimétrie, chromatographie d'exclusion de taille, pyrolyse CG/MS, RMN 13C) ont été utilisées sur les eaux collectées au niveau des plaques lysimétriques et des bougies poreuses mais également sur les extraits HPO, TPH et HPI, dans le but de caractériser la MO des horizons profonds en s'appuyant sur des travaux préexistants sur les eaux de surface. Les travaux ont montré que la MO des horizons profonds était caractérisée par une faible aromaticité, une plus faible masse moléculaire et par la présence de composés de type lignines et terpénoïdes.