Contexte

Les sols représentent le plus grand réservoir naturel de carbone organique à la surface de la terre. Sur les six milliards de tonnes de carbone rejetés annuellement par les activités humaines, au moins un quart est réabsorbé par les écosystèmes terrestres. Cependant, ce puits de carbone pourrait être perturbé par le changement climatique en cours et ses répercussions sur la dynamique du carbone des sols. Les effets pressentis sont les suivants :
• les modifications de la température et du régime hydrique vont agir sur la vitesse de décomposition de la matière organique par les agents microbiens ;
• la réponse de la végétation aux nouvelles conditions climatiques va modifier les entrées organiques au sol, en quantité comme en qualité biochimique ;
• la disponibilité accrue de CO2 pour la photosynthèse va changer la demande en azote minéral, dont la disponibilité pourrait devenir limitante dans les sols et rétroagir sur l’activité microbienne ;
• les effets indirects du changement climatique (modification des pratiques culturales : irrigation, fertilisation ; changement des modes d’occupation des terres…) auront probablement des impacts, encore mal définis, sur la dynamique du carbone des sols.

Actuellement, des incertitudes importantes pèsent sur les flux de carbone du sol vers l’atmosphère et sur la réponse des réservoirs de carbone du sol aux changements climatiques. Elles sont liées aux outils actuels dont le niveau de précision ne permet pas de simuler l’évolution dynamique du carbone du sol. Une situation dommageable aux modèles de fonctionnement des écosystèmes, qui intègrent cette modélisation trop « simpliste » de la dynamique du carbone des sols.

Objectifs

Dans ce contexte, le projet CARBOSOIL vise à approfondir la modélisation de la dynamique du carbone dans les sols, en y intégrant les connaissances récentes sur les processus de dégradation des matières organiques dans les sols. Ce travail se fera via le rapprochement de deux communautés présentes au sein du GIS Climat-Environnement-Société, qui travaillent habituellement de manière indépendante : les chercheurs qui étudient la dynamique des matières organiques dans les sols (Bioemco) et ceux qui représentent cette dynamique dans les modèles d’écosystèmes (ESE, LSCE).
Les équipes impliquées vont chercher à répondre à quatre questions qu’ils ont identifiées comme des verrous dans la compréhension et la modélisation actuelles du carbone des sols :

Quels sont les impacts de la température et de l’humidité sur les vitesses de décomposition dans les sols et comment les modéliser ?

• On connaît, en théorie, l’effet de la température sur la respiration microbienne. Cependant, des expérimentations de sol in situ ont mis en évidence une certaine acclimatation du sol au réchauffement qu’il est nécessaire de comprendre et de modéliser ;
• La teneur en eau du sol qui agit sur la vitesse de transformation du carbone est généralement bien prise en compte dans les modèles. Il apparaît nécessaire d’y intégrer également les variations à court terme de l’état hydrique du sol lors des alternances humectation-dessiccation, non considérées aujourd’hui.
• Les interactions entre température et humidité, qui semblent avoir des effets non linéaires sur les vitesses de décomposition, doivent également être prises en compte.

Comment prendre en compte les décomposeurs microbiens et leurs régulations biologiques

• Les modèles actuels de décomposition des matières organiques sont basés sur des cinétiques d’ordre 1, qui considèrent que l’abondance et l’état physiologique des microorganismes ne sont pas une limite à la décomposition. Ils ne permettent pas de représenter plusieurs phénomènes importants :
- les besoins de maintenance des populations microbiennes et leurs contraintes stoechiométriques, les variations du rendement d’assimilation ;
- le priming effect : un phénomène de sur ou sous-minéralisation de la matière organique du sol qui se déclenche lors de l’ajout de matières organiques fraîches. Il est dû à des choix préférentiels de substrats par les microorganismes et/ou à des interactions entre décomposeurs.

• Par ailleurs, les modèles utilisés pour analyser la dynamique du carbone à long terme ne considèrent pas la disponibilité d’autres éléments minéraux (essentiellement l’azote, mais également le phosphore et le soufre) dans les transformations du carbone, ou la prennent en compte de manière simplifiée voire simpliste.

Partant de ces constats, une intégration de la disponibilité de l’azote et de la physiologie des différents décomposeurs microbiens dans les modèles globaux apparaît aujourd’hui indispensable.

Quels sont les effets du travail du sol et de l’accessibilité des matières organiques sur les vitesses de décomposition et comment les modéliser ?

Le labour a une importance majeure sur les stocks de carbone qu’il tend à diminuer. Une partie du carbone des sols est en effet protégée de la décomposition par sa localisation qui le rend inaccessible aux décomposeurs. Le travail du sol déprotège ces matières organiques par la rupture périodique des agrégats du sol et l’exposition de sol nu à la pluie. Pourtant, ni le labour ni les variations de l’accessibilité des matières organiques –liées au type de sol- aux décomposeurs ne sont pris en compte explicitement dans les modèles d’évolution du carbone dans les sols. Des recherches sur ce paramètre doivent être menées.

Comment représenter les effets de la distribution verticale du carbone dans les sols sur les vitesses de décomposition ?

Malgré leur concentration en carbone plus faible que celles des horizons de surface, les horizons profonds contribuent grandement au stockage du carbone dans les sols. Cependant, leur équilibre peut être modifié par des changements environnementaux. Ainsi, un enracinement plus profond (pour répondre à un stress hydrique, par exemple) peut soit entraîner une minéralisation du carbone (apport de carbone labile déclenchant la dégradation des composés présents) soit une augmentation des stocks de carbone (le carbone racinaire est stabilisé préférentiellement par rapport au carbone des parties aériennes des plantes). Une discrétisation verticale des modèles de la dynamique du carbone apparaît donc nécessaire pour prendre en compte la spécificité du fonctionnement des horizons profonds des sols et intégrer les transferts verticaux de carbone soluble.

Méthodologie

Volet 1 : Synthèse de l’état des connaissances et des modèles conceptuels existants

La recherche sur les processus gouvernant la dynamique des matières organiques dans les sols est en pleine expansion, du fait notamment de la généralisation d’outils puissants de biogéochimie isotopique. La synthèse des connaissances existantes consistera à recenser les concepts nouveaux permettant de dépasser les approches actuelles trop génériques et peu mécanistes.

• Sur chacune des questions scientifiques définies ci-dessus, le groupe du projet CARBOSOIL visera l’acquisition d’une vision critique de l’état des connaissances et de la modélisation : bilan des connaissances, identification des manques, recensement et analyse des modèles conceptuels existants de la dynamique des matières organiques. Le cas échéant ce travail visera aussi la construction d’un modèle conceptuel de la question posée, qui servira de base à la construction d’un code adapté. La méthode de travail sera basée sur l’organisation de workshops dédiés auxquels des experts internes au projet, mais aussi externes, participeront. Ces réunions mèneront à la rédaction d’un article de synthèse par question, faisant l’état des lieux des connaissances et des manques identifiés.

• Une intercomparaison des principaux modèles de la dynamique du carbone et de l’azote sera entreprise, en s’appuyant sur l’analyse coordonnée par P. Smith en 1996 (Mc Gill, W.B., 1996, Review and classification of ten soil organic matter models. In: D. Powlson, P. Smith and J. Smith, Evaluation of soil organic matter models, Nato Asi Series n° 38). Différents modèles de complexité croissante seront pris en compte. Il s’agira ici d’évaluer le potentiel de chaque approche en terme de simulation des mesures existantes, et de pertinence vis a vis des concepts nouveaux nécessaires à une prise en compte optimale des interactions climat et dynamique des matières organiques.

• Une synthèse des essais et des jeux de données disponibles auprès des participants du projet sera réalisée. En effet, les équipes impliquées dans le projet ont accès à un ensemble remarquable de dispositifs expérimentaux et d’essais de longue durée :

	Essais agronomiques de longue durée de Grignon (AgroParisTech) Le dispositif Déhérain a été mis en place en 1875 pour étudier l’évolution à long terme de la fertilité des matières organiques du sol en fonction du type de fertilisation en grandes cultures. Cet essai a fait l’objet d’études de la dynamique du carbone et de l’azote. Sur le même site, des essais labour ont été mis en place en 1973 pour étudier l’effet d’une simplification du travail du sol en conditions de grande culture, en référence à des pratiques de labour conventionnel
	Les jachères nues de très longue durée de Versailles et Grignon A Versailles, un dispositif des 42 parcelles a été mis en place en 1929 pour étudier l’effet de différents fertilisants et amendements sur la structure du sol (INRA). A Grignon, un dispositif des 36 parcelles a été mis en place en 1959 pour étudier l’évolution de la paille dans le sol en fonction de la disponibilité de l’azote et/ou du compostage de la paille (AgroParisTech). Le carbone des sols de ces jachères nues depuis plusieurs décennies n’a reçu aucun apport organique et peut donc être assimilé au compartiment de carbone stable des sols.
	Chronoséquence de marquage du carbone du sol par le maïs des Closeaux à Versailles Cet essai, mis en place en 1993 permet de mesurer la dynamique du carbone à l’aide de l’abondance naturelle en carbone 13, sur une série de parcelles en monoculture de blé ou de maïs pour des périodes de 6 à 15 ans (INRA).

Outre ces 3 expériences pour lesquelles les membres du projet ont un accès privilégié, il existe d’autres essais dans lesquels les équipes du GIS Climat sont impliqués, qui pourront fournir des données d’entrées des simulations, sous réserve de développer en parallèle des programmes expérimentaux ad-hoc :
- Essai La Cage (INRA Versailles) : comparaison et évaluation de systèmes de culture ;
- Observatoire de Recherche en Environnement-Prairies, Cycles Biogéochimiques et Biodiversité (ORE-PCBB) de l’INRA Lusignan : suivi de la dynamique d’évolution des écosystèmes prairiaux sous l’action de l’homme et de ses conséquences sur l’Environnement.

Volet 2 : Développement d’un modèle complet mécaniste à une dimension

Le développement d’un modèle complet intègrera les priorités définies à la suite de l’analyse des processus et des modèles réalisés en I.
• Il s'agira de mettre au point un ou plusieurs modèle(s) mécaniste(s) prenant en compte :
- l’action des décomposeurs sur le carbone dans le sol, et l’accessibilité du carbone par ces décomposeurs (formation de complexes, croissance des populations microbiennes) ;
- la dégradation en composés progressivement moins énergétiques, et les interactions entre réservoirs qui en résultent ;
- l’impact, sur la décomposition du carbone dans le sol, des variations verticales de la température et de l’humidité du sol et de leurs variations saisonnières et interannuelles ;
- les interactions entre carbone et azote, modulées par la demande des plantes en azote minéral et les apports dans la litière ;
- les transferts verticaux de carbone ;
- les évolutions spatiales (type de sol, profondeur) et temporelles (labour, mode d’occupation du sol) de l’accessibilité des matières organiques.
Enfin l’ensemble des interactions, des effets non linéaires, ou des co-dépendances entre facteurs édaphiques (liés aux caractéristiques du sol), climatiques, et agronomiques sera considéré.

• Les modèles développés dans la première phase seront ensuite calibrés et leur aptitude à représenter la dynamique des matières organiques du sol sera évaluée, à l’aide des données issues des dispositifs expérimentaux et des essais de longue durée : effets sur la dynamique du carbone de la disponibilité de l’azote et d’autres nutriments, des entrées de matière organique fraîche au sol (priming effect), du travail du sol. Le modèle le plus adapté, en particulier pour répondre aux quatre questions scientifiques soulevées pour les équipes de CARBOSOIL, sera incorporé dans le modèle spatialisé d’écosystème ORCHIDEE.

Volet 3 : Intégration du module de sol dans ORCHIDEE

Ce volet sera initié par une comparaison, sur la base des données expérimentales décrites précédemment, des sorties du modèle standard ORCHIDEE (avec un module de sol de type CENTURY) avec celles du modèle de sol sélectionné, afin de caractériser les différences et améliorations apportées par une approche plus mécaniste et plus détaillée. Par la suite, le module standard de sol d’ORCHIDEE sera remplacé par le modèle mécaniste, et une nouvelle série de simulations sera conduite pour évaluer la différence entre le modèle mécaniste et le nouveau modèle ORCHIDEE rebaptisé ORCHIDEE SOL+.
La dernière étape consistera à valoriser les nouveaux acquis sur la dynamique des matières organiques pour établir des bilans de carbone toujours plus réalistes. Pour cela, on comparera les résultats de plusieurs simulations avec ORCHIDEE SOL+ :
- Etude de la variabilité interannuelle du flux net de carbone sur une courte échelle de temps (une à deux décennies) ;
- Etude des bilans de carbone spatialisés à l’échelle de la France ;
- Etude, à l'échelle globale, de l’évolution des flux et du stockage de carbone dans un contexte de changement climatique, en se basant sur 2 à 3 scénarios contrastés pour le 21ème siècle.