Dissertations / Theses on the topic 'Minéralisation du carbone organique des sols'

De la paille de ble mature marquee au 14c et au n15 a ete incubee durant deux ans, a temperature et humidite controlees, dans deux types de sol. Sur la moitie de chaque type de sol, douze cultures successives de ble ont ete realisees, pendant que l'autre moitie a ete maintenue sans plante dans les memes conditions. Durant les stades initiaux de decomposition rapide du materiel vegetal, la presence de racines a legerement reduit la mineralisation du carbone. Par contre, durant les stades ulterieurs, lorsque le materiel labile avait disparu, la presence de racines a provoque un surcroit de mineralisation du carbone marque et du carbone natif du sol. La dynamique de la biomasse microbienne est caracterisee par un developpement rapide en reponse a l'existence de substrats facilement mineralisables. Durant les stades de forte activite biologique du sol, la presence de plantes a ralenti provisoirement l'evolution de la biomasse microbienne. Apres epuisement du substrat labile, la biomasse microbienne en absence de plante a ete diminuee d'un facteur de 3 a 4, tandis que, en presence de plantes, les composes rhizodeposes lui permettent de se maintenir a un niveau eleve. Cette biomasse rhizospherique a provoque la mineralisation des composes humifies relativement stables du sol. Ainsi, un surcroit de mobilisation de n d'origine native du sol a ete constate dans le sol avec plantes par rapport au sol nu

Le réchauffement climatique est susceptible d’affecter le régime hydrique des sols et leur impact sur la dynamique de la matière organique des sols. Les sols minéraux hydromorphes caractérisés par des alternances de conditions de saturation et de non-saturation en eau sont des lieux de processus biogéochimiques et de régimes d’apport de carbone particuliers et ils jouent un rôle important dans la séquestration du carbone. Toutefois, très peu d’études ont abordé la dynamique de minéralisation du carbone organique (C) dans ces sols et le rôle du régime hydrique. L’objectif général de la thèse est de caractériser l’effet du régime hydrique caractéristique des sols minéraux hydromorphes sur la dynamique de minéralisation du carbone à l’échelle intra-annuelle et dans un contexte agricole. Le versant agricole étudié est l’un des sites de l’Observatoire de Recherche en Environnement AgrHys situé au lieu-dit Kerrolland (Naizin, France). Il présente une juxtaposition de domaine de sols minéraux mal-drainés hydromorphes et d’un domaine de sols bien-drainés avec des régimes hydriques de sol différents. Les effets des durées de saturation et des conditions de saturation transitoires (alternance de conditions de saturation et de non-saturation) caractéristiques des sols minéraux hydromorphes sur la dynamique du carbone (taux de minéralisation, dynamique des émissions de CO2, dynamique du carbone organique et inorganique dissous, dynamique couplée de l’azote) ont été évalués à travers des expérimentations en conditions contrôlées de température et d’humidité. Des mesures in-situ de la respiration hétérotrophe du sol ont été réalisées durant une année, afin de caractériser l’effet des conditions de drainage et d’hydromorphie sur la variabilité spatiale et temporelle de la minéralisation du carbone à l’échelle du versant étudié. En conditions contrôlées, la minéralisation du carbone dans les sols saturés a été deux fois moins élevée qu’en conditions de non-saturation. En conditions de saturation, la dynamique de minéralisation du C, n’a pas été affectée par la durée de saturation, contrairement à la dynamique de minéralisation du C pendant la désaturation. Les conditions de saturation ont favorisé une production et une accumulation de composés organiques labiles dont la minéralisation rapide pendant la désaturation a entraîné des pics d’émissions de CO2, plus la durée de saturation précédente est longue plus le taux de minéralisation pendant la phase de désaturation est élevé. Les conditions de saturation transitoires ont entrainé une augmentation de la quantité totale de C minéralisée, atteignant les mêmes ordres de grandeur que celle des sols maintenus en conditions de non-saturation. In-situ, en fonction des saisons, les efflux de CO2 des sols bien-drainés sont deux à cinq fois plus élevés que ceux des sols minéraux hydromorphes. A l’échelle annuelle, les régimes hydriques des sols minéraux hydromorphes ont induit une réduction de 37 à 41% des émissions de CO2–C par rapport aux sols bien-drainés. Cette étude a permis de comprendre le rôle du régime hydrique dans la dynamique de minéralisation du C des sols minéraux hydromorphes, et ces résultats pourront servir à mieux caractériser le rôle des sols hydromorphes dans la séquestration du C et les émissions des gaz à effet de serre dans un contexte de changements climatiques
Global warming is expected to affect soil water regime and their impact on soil organic matter dynamics. Hydromorphic minerals soils characterized by the alternation of water saturation and non-saturation conditions are the places of specific biogeochemical processes, regimes of carbon supply and they play an important role in carbon sequestration. However, very few studies have addressed the dynamics of organic carbon (C) mineralization in these soils and the role of water regime. The general objective of the thesis is to characterize the effects of hydromorphic soil water regime on the dynamics of C mineralization to the intra-annual scale and in an agricultural context. The studied site is an agricultural hillslope which is one of the sites of Environment research Observatory (ORE AgrHys) located in the Kerrolland locality (Naizin, France). It presents a juxtaposition of poorly-drained hydromorphic area and well-drained area, with different soil water regimes. The effects of the durations of saturation and transient saturation conditions (alternation of saturation and non-saturation conditions), characteristics of hydromorphic minerals soils, on C dynamics (dynamics of mineralization rate, dynamics of CO2 emissions, organic and inorganic dissolved dynamics and coupled nitrogen dynamics) were evaluated through incubation experiments. Furthermore, in-situ measurements of soil CO2 effluxes during one year, were performed in order to characterize the effects of soil drainage and hydromorphic gradient on the spatio-temporal variability of C mineralization across the studied hillslope. In incubation conditions, C mineralization in saturation conditions was two times lower than non-saturation conditions. In saturations conditions, C mineralization dynamics was unaffected by the durations of saturation, contrary to the dynamics of C mineralization during desaturation. Saturation conditions favored production and accumulation of labile organic compounds whose rapid mineralization during desaturation resulted in flush of CO2 emissions. Therefore, more the duration of previous saturation conditions is long more the C mineralization rate during desaturation is high. Transient saturation conditions resulted in an increase in the total amount of C mineralized, that reached the same orders of magnitude than that of soils maintained in non-saturation conditions. In-situ, depending on the season, well-drained soil CO2 effluxes were two to five times higher than that of hydromorphic minerals soils. At annual-scale, the soil water regime of hydromorphic minerals soils induced 37 to 41% reduction in CO2–C emissions compared with well-drained soils. This study contributes to understand the role of soil water regime in the dynamics of C mineralization in hydromorphic minerals soils. These results may be used to identify the role of hydromorphic soils

L’agriculture intensive est en pleine transition vers des pratiques agroécologiques qui s’appuient sur la biodiversité et les processus écologiques. Dans les agrosystèmes, la matière organique est un élément clé de la fertilité des sols et constitue une réserve importante de carbone. La fertilisation organique par les résidus de cultures est donc une pratique agricole qui permet d’améliorer le stock de matière organique. Les microorganismes du sol ont un rôle essentiel dans la dynamique du carbone et sont les principaux acteurs de sa minéralisation et de la mise à disposition des nutriments pour la plante. Ainsi, l’utilisation de biostimulant (BS) agricoles visant à améliorer cette fonction microbienne est proposée comme solution alternative pour améliorer indirectement la croissance des plantes tout en réduisant les intrants chimiques. A travers ces travaux de thèse il s’agissait i) d’identifier l’effet de biostimulants appliqués au sol sur les communautés microbiennes hétérotrophes, la minéralisation du carbone organique (Corg) et la libération des nutriments, ii) d’évaluer sa généricité en testant différentes conditions expérimentales et iii) d’identifier les filtres environnementaux qui contrôlent à la fois les communautés microbiennes et la fonction de minéralisation.Nous avons mis en évidence que la dynamique du Corg était différente en fonction des caractéristiques physico-chimiques et biologiques des sols. Nous avons montré que les plantes pouvaient elle aussi modifier la dynamique du Corg par le retour de leurs litières au sol et l’influence de leurs racines sur les communautés bactériennes et fongiques. Contrairement aux plantes, la quantité de Corg apportée par les BS étudiés étaient négligeables. Pourtant, nous avons évalué un effet parfois plus important que celui des plantes sur l’abondance, la diversité et la richesse des bactéries et des champignons. Parmi les deux BS étudiés nous avons montré que l’un améliorait la minéralisation du Corg en recrutant des bactéries et des champignons saprophytes indigènes du sol et que l’autre n’influençait pas la minéralisation du Corg mais activait des bactéries indigènes du sol promotrices de la croissance des plantes ainsi que des bactéries et champignons saprophytes. Notre étude souligne également l’importance de mettre en place une approche méthodologique normalisée et systémique qui intègre le suivi simultané de plusieurs descripteurs afin d’identifier les effets des BS
Modern agriculture is undergoing important changes toward agroecological practices that rely on biodiversity and ecological processes. In agrosystems, the organic matter is the key of the soil fertility and an important reserve of carbon. Organic fertilization by crop residues is therefore an agricultural practice that improve the organic matter content in soil. Soil microorganisms have an important role in the organic carbon (orgC) dynamic because they are key players of its mineralization and are involved in the nutrients recycling. Thus, the use of agricultural biostimulant (BS) intended to enhance this microbial function is proposed as an alternative solution to improve indirectly plant growth while reducing chemical inputs. This thesis aimed to i) identify the effect of soil biostimulant on heterotrophic microbial communities, the orgC mineralization and the nutrient releases, ii) evaluate its genericity by testing different experimental conditions and iii) identify the environmental filters that control both the microbial communities and the mineralization function. We showed that the orgC dynamic was different according to contrasted physico-chemical and biological characteristics of different soils. We showed that plants can also influence the orgC dynamic by returning litter to the soil and through its root effect on the bacterial and fungal communities. Unlike plants, the amount of orgC provided by the two tested BS was negligible. However, we evaluated the effect of one BS as at least similar or even higher than those of plant on active bacterial and fungal abundances, richness and diversity. Among the two BS tested we showed that one enhanced the orgC mineralization by recruiting indigenous soil bacterial and fungal decomposers and that the other did not affect the orgC mineralization but activated indigenous soil plant-growth-promoting bacteria as well as soil bacterial and fungal decomposers. Furthermore, our study call for new normative methodological and systemic approach by monitoring simultaneously several descriptors for advancing our knowledge on BS action on microbial soil functioning

Les activités anthropiques ont largement déréglé le cycle du carbone. Le sol est un des principaux pools de carbone de la planète. C’est dans ce contexte de cycle du C dans les sols que se pose cette thèse. Nous nous sommes ici intéressés aux interactions entre les entrées de matières organiques fraîches et la minéralisation des matières organiques du sol. En effet, la présence de matières organiques fraîches peut augmenter ou diminuer le taux de minéralisation des matières organiques du sol via un « priming effect ». Grâce à plusieurs expérimentations, nous avons préciser plusieurs éléments permettant d’améliorer la compréhension du priming effect. Nous avons montré que l’augmentation du niveau des entrées de matières organiques fraîches n’induisait que peu ou pas d’augmentation de l’intensité du priming effect. Nous avons mis en évidence le rôle de plusieurs communautés microbiennes dans l’intensité du priming effect. Nous avons enfin montré, pour le pool de carbone stabilisé, l’importance du niveau d’azote minéral initial sur le type de priming effect. Finalement, grâce à une étude bibliographique complétée par une approche expérimentale, nous avons émit l’hypothèse que le priming effect était un phénomène général et non restreint aux sols.

Le sol est un compartiment majeur de stockage du carbone (C) organique de l’écosystème terrestre. Il joue un rôle important dans la régulation du climat. Toute variation des flux de carbone entre l’atmosphère et l’écosystème terrestre pourrait avoir un impact important sur l’augmentation de CO2 dans l’atmosphère, mais aussi sur la diminution des teneurs en matière organique du sol et donc sur la fertilité des sols. Au Nord Cameroun, les sols sont exposés à de longues périodes sèches (5 à 6 mois par an) qui alternent avec une saison humide. La période de transition entre ces deux saisons, peut durer de mi-avril à fin juin et est caractérisée par des pluies très irrégulières. Ces cycles d’humectation-dessiccation pourraient selon la littérature accentuer la minéralisation du carbone organique du sol et le cycle des éléments nutritifs. L’objectif de cette étude est de quantifier l’impact des cycles humectation-dessiccation sur la minéralisation du carbone dans un contexte soudano-sahélien. Pour faire des mesures représentatives sur le terrain, il est nécessaire d’étudier la variation sur 24 heures de la respiration du sol après humectation suite à une période sèche. Cette mise au point méthodologique a montré que la respiration du sol présente une courbe quadratique au cours de la journée, devenant presque linéaire au cours de la nuit. La température et l’humidité du sol ont permis d’expliquer au moins 73% des variations sur 24 heures. Ces observations ont été utilisées pour proposer une méthode pour estimer la respiration moyenne diurne et nocturne après humectation des sols. La méthode proposée dans cette étude a l’avantage d’être basée sur un nombre réduit de mesures et est par conséquent plus facile à mettre en œuvre pour suivre la respiration du sol sur 24 heures après les premières pluies. Une première étude expérimentale de terrain a permis de montrer que la ré-humectation des sols et le mode de gestion des pailles ont augmenté la minéralisation du carbone de ces sols. En revanche, la fréquence des cycles humectation-dessiccation des sols sur une période de 50 jours n’a pas augmenté la minéralisation cumulée du carbone des sols. Au Nord Cameroun, la minéralisation rapide des pailles rend difficile l’augmentation des stocks de carbone du sol par conservation des pailles des cultures précédentes à la surface du sol. Dans une seconde expérimentation de laboratoire, en conditions contrôlées, les cycles humectation-dessiccation n’ont pas augmenté la minéralisation du carbone organique du sol et de l’azote (N) par rapport aux sols maintenus humides. Cependant, les émissions de CO2 ont augmenté avec l’addition de paille enrichie en carbone-13. Cette addition de la paille marquée a augmenté la minéralisation de la matière organique du sol (priming effect). La minéralisation de la paille a diminué avec les cycles humectation-dessiccation et la quantité de paille restante était de 102 µg Cg-1 sol sur les sols ré-humectés contre 48 µg Cg-1 sol sur les sols maintenus humides. L’absence de cette réponse de la minéralisation du carbone et d’azote du sol aux cycles humectation-dessiccation pourrait être liée à une baisse de l’activité microbienne durant les périodes de dessèchement et l’absence d’une augmentation soutenue des taux de minéralisation du carbone avec les cycles ultérieurs d’humectation-dessiccation
Soil as a major storage component for terrestrial ecosystem’s organic carbon plays an important role in regulating climate and agricultural production. Any variation of carbon fluxes between the atmosphere and the terrestrial ecosystem can have a significant impact on the increase of carbon dioxide in the atmosphere but also the decrease in soil organic matter and thus accelarate soil fertility degradation. In northern Cameroon, the transition period between long dry periods with a wet season is characterized by very irregular rainfall that can last several weeks. These wetting-drying cycles can accentuate the mineralization of soil organic carbon and nutrient cycling. The objective of this study is to assess the impact of wet-dry cycles on carbon mineralization in a sudano-sahelian context. From methodological stand field measurements require to study the soil respiration variation over 24 hours after a wet period. This methodological test has shown that soil respiration has a quadratic curve during the day, becoming almost linear during the night. The temperature and soil moisture have explained together the variation over 24 hours (at least 73% ; p< 0.001). These observations have been used to propose a method for estimating the mean daytime and nighttime soil respiration after wetting the soil. Indeed the method proposed in this study has the advantage of being based on a small number of measurements and is, therefore, easier to implement to monitor 24-h soil respiration after the first rains following a long dry period. A first experiment has shown that the wetting of the soil and mulching increased soil carbon mineralization. However, wetting-drying cycles on soil did not increase the cumulative mineralization of soil carbon more than keeping the soil continuously moist. Indeed, in northern Cameroon, the rapid mineralization of crop residues makes it difficult to increase soil carbon stocks by mulching. In a second laboratory experiment, the wetting-drying cycles did not increase organic carbon and nitrogen mineralization from soils added with straw. However, carbon dioxide emissions increased on straw amended soils compared to soils without straw. This addition of the labeled straw increased mineralization of soil organic matter (priming effect). The mineralization of the straw also decreased with the wetting-drying cycles, thus the amount of straw remaining on soils was 102 µg C g-1 soil on re-wetted soils compared to 48 µg C g-1 soil for those with constant moisture. The lack of response for C and N mineralization during wetting-drying cycles may be linked to a decrease of microbial activity during dry periods and the lack of a steady increase in the carbon mineralization rate with subsequent wetting-drying cycles

Les sols constituent le principal réservoir de carbone, avec près de deux fois plus de carbone que le pool atmosphérique. Afin de pouvoir prédire et anticiper le devenir du carbone dans le contexte actuel de changement climatique et de changement d'usage des terres, il apparaît nécessaire de mieux comprendre les processus qui régulent la décomposition des matières organiques dans les sols. Cette thèse se propose donc d'étudier deux types de régulateurs de la dynamique du carbone du sol : les propriétés de l'habitat microbien et celles des communautés microbiennes. En effet, puisque directement affectées par les changements climatiques d'une part, et les changements d'usage des terres et de pratiques culturales d'autre part, l'habitat microbien et les communautés microbiennes apparaissent comme des régulateurs clés de la dynamique du carbone du sol. Des dispositifs expérimentaux permettant de faire varier les propriétés de l'habitat microbien et celles des communautés microbiennes de façon indépendante ou simultanée ont été mis en place. Dans un premier temps, des microcosmes dont la structure du sol a été manipulée afin d'obtenir des gradients de déstructuration, ont été incubés. Dans un second temps ce sont des microcosmes mettant en jeu des gradients de diversité microbienne qui ont été incubés. Enfin, une incubation utilisant les différences naturelles de propriétés de l'habitat microbien et de communautés microbiennes a été mise en place pour tenter de hiérarchiser ces régulateurs de la décomposition des matières organiques du sol. Les résultats obtenus ont mis en évidence que l'activité microbienne de décomposition du carbone organique du sol semble plus contrôlée par les conditions environnementales (comme le pH, la texture et l'approvisionnement en substrat) que par la structure des communautés microbiennes ou leurs capacités métaboliques. En plus de cela, la fonction de minéralisation ne semble être affectée que dans le cas d'une très grande érosion de la biodiversité suggérant la présence d'un effet seuil, et que l'importance de la redondance fonctionnelle n'est pas toujours aussi grande que ce que le suggère de nombreuses études. D'autre part, dans des conditions d'aération suffisante, les mécanismes qui réguleraient la dynamique du carbone organique des sols se passeraient à des échelles très fines.

Dans différents pays de l’Europe de l’Ouest, des carences en soufre sont de plus en plus couramment observées sur les grandes cultures. Actuellement, les références précises sur le soufre font défaut pour développer des outils de gestion du soufre dans les sols cultivés. Récemment, afin de mieux quantifier et de modéliser la dynamique de S, le rôle de la biomasse du sol et la relation avec la dynamique du Carbone, les recherches se sont développées. En première partie de ce travail une étude de laboratoire a été effectuée sur 22 sols différant par leur texture , leur teneur en matière organique et leur histoire culturale pour déterminer le taux de minéralisation du soufre, du carbone et de l'azote et établir la relation entre minéralisation de S et certaines propriétés du sol. Les résultats suggèrent que la minéralisation du soufre est principalement conduite par l'activité microbienne hétérotrophe. Une équation de prédiction est proposée à partir du C organique, du pH du sol, du taux d'argile et du sulfate initial. L’objectif de la deuxième partie de ce travail était de quantifier l'impact de la disponibilité du soufre minéral de sol sur la décomposition des résidus de récolte et l'organisation du soufre. Ceci a été étudié d'une part en faisant varier la quantité initiale de S-SO42- dans le sol en présence de paille de colza et d'autre part avec des quantités croissantes de paille de blé apportées dans le sol afin de faire varier la demande en S de la microflore. Les résultats n'ont pas permis de mettre en évidence une limitation de la décomposition par la disponibilité de S, suggérant des besoins en S très limités de la microflore du sol pour assurer la décomposition de résidus végétaux. Enfin les effets de la nature des résidus végétaux et de leur contenu en soufre sur la dynamique de S ont été étudiés en troisième partie de ce travail. Ces résidus sont représentatifs des systèmes de grande culture (blé, colza, moutarde), mais aussi de prairies (fétuque) et forêts (feuilles de hêtre). Une relation entre C/S des résidus et minéralisation nette de S a été obtenue. Il a été mis en évidence l'importance du contenu en sulfate soluble de certains résidus de plante sur la libération nette de sulfate dans les sols. Les perspectives ouvertes par ce travail ont été abordées sous l'angle de la modélisation. D'une part a été évaluée la possibilité d'adapter un module de décomposition (du modèle sol-plante STICS) pour prédire la minéralisation de S des résidus végétaux au cours de leur décomposition dans des conditions optimales. D'autre part les résultats ont été utilisés pour élaborer des termes de minéralisation d'un bilan du soufre minéral, appliqué à la gestion de la fertilisation soufrée.

Les matières organiques dissoutes (MOD) constituent un paramètre essentiel de la qualité des milieux aquatiques et du fonctionnement des écosystèmes. La production de MOD dans les sols et leur devenir lors de leur transfert dans les bassins versants ont été étudiés au cours d'expérimentation réalisées à différentes échelles, du microcosme de sol au bassin versant, à l'aide du traçage isotopique des formes stables du carbone (13C). À l'échelle du bassin versant, nous avons mis en évidence le rôle des zones humides dans la formation du carbone organique dissous (COD). Lors d'évènement de crues nous avons néanmoins observé la mobilisation de plusieurs sources de COD pour alimenter les rivières. Au cours d'expérimentations de laboratoire, nous avons démontré que le type d'essence forestière influence le devenir du carbone extractible à l'eau contenu dans les sols. La substitution de forêts natives par des plantations de Douglas diminue les apports de carbone dans le sol et les vitesses de minéralisation du carbone organique du sol lesquelles dépendent aussi de la température. Pourtant, l'évolution du carbone extractible à l'eau des sols de forêt, conditionnée par le type d'essences, ne dépend ni des vitesses de minéralisation du carbone ni de la température. Nous avons donc conclu que dans les horizons de surface des sols forestiers, le COD ne provient pas principalement de la décomposition de la matière organique du sol mais de la végétation par l'intermédiaire des lessivats de litière.

La prise en compte du priming effect * (PE) dans les modèles biogéochimiques est essentielle afin de mieux prévoir les conséquences du changement global sur le cycle du C (C) dans les écosystèmes et les interactions avec le climat. Au cours de la dernière décennie, de nombreux travaux ont été réalisés afin de modéliser le PE. Cependant, quelques connaissances de base nécessaires à cette modélisation du PE manquent tels que la relation entre le taux de décomposition des matières organique du sol (MOS) et la biomasse des décomposeurs (MB). En outre, le PE n'a jamais été inséré dans un modèle sol-plante afin de déterminer son rôle dans les interactions plante-sol. Dans ce contexte, les principaux objectifs de la thèse sont 1) d’intégrer l'activité, de la biomasse et de la diversité des microorganismes du sol dans les modèles de dynamique du C et de l’azote (N) des écosystèmes afin de simuler le PE, et 2) de déterminer les conséquences de cette intégration pour le fonctionnement des écosystèmes et la réponse au changement global. Ces objectifs ont été atteints grâce à la combinaison de la diverses approches telle que la modélisation, l’expérimentation et les analyses statistiques. Dans une expérience de laboratoire, je montre que le taux de décomposition des MOS augmente 1) linéairement avec la MB et 2) avec un effet de saturation avec la teneur en MOS. La réponse linéaire de décomposition des MOS à la MB s'explique par la colonisation très limitée du sol et des réserves des MOS par les microorganismes. Cependant, la limitation de la décomposition par la teneur en MOS montre que la disponibilité locale des MOS peut être un facteur limitatif pour la minéralisation microbienne. La co-limitation observée de la décomposition des MOS est correctement modélisée avec l'équation de Michaelis-Menten. L'intégration de cette équation dans un modèle simple de dynamique des MOS permet d’expliquer comment les MOS s'accumulent souvent continuellement dans les sols non perturbés alors qu'elles stagnent dans les sols cultivés. Cette présente également le premier modèle d’écosystème paramétré incorporant le PE (SYMPHONY). Ce modèle génère des prévisions réalistes sur la production de fourrage, stockage de C dans le sol et lessivage de l'azote pour des prairies permanentes. SYMPHONY montre également que la persistance des plantes dans les écosystèmes dépend d'un réglage fin de la minéralisation microbienne de MOS au besoin en nutriments des plantes. Ce réglage est modélisé par SYMPHONY en considérant la destruction de MOS par le PE et les interactions entre deux groupes fonctionnels microbiens: les décomposeurs des MOS et les stockeurs de MOS. Enfin, conformément aux récentes observations, SYMPHONY explique comment l’augmentation du CO2 atmosphérique induit une modification des communautés microbiennes du sol conduisant à une intensification de la minéralisation microbienne et à une diminution du stock des MOS dans le sol
Integration of the priming effect* (PE) in ecosystem models is crucial to better predict the consequences of global change on ecosystem carbon (C) dynamics and its feedbacks on climate. Over the last decade, many attempts have been made to model PE in soil. However, some basic knowledge to model the PE is lacking such as the relationship between decomposition rate of soil organic matter (SOM) and microbial biomass (MB). Moreover, the PE has never been inserted in a plant-soil model to analyze its role on plant-soil interactions. The main objectives of this thesis were to 1) integrate the activity, biomass and diversity of soil microorganisms in models of ecosystem C and nitrogen (N) dynamics in order to simulate the PE, and 2) determine the consequence of this integration for ecosystem functioning and response to global change. These objectives were achieved thanks to the combination of diverse approaches such as modeling, experimentation and statistical. In a lab experiment, I show that the rate of SOM decomposition increases 1) linearly with MB, and 2) with a saturating effect with SOM content. The linear response of SOM decomposition to MB is explained by the very limited microbial colonization of SOM reserves. However, the positive effect of SOM content on decomposition rate indicates that the local availability of SOM may be limiting for microbial mineralization. The observed co-limitation of SOM decomposition was accurately modeled with the Michaelis-Menten equation. Finally, incorporating this equation in a simple model of soil C dynamics explained how carbon often continuously accumulates in undisturbed soils whereas it reaches steady state in cultivated soils. Moreover, I present the first parameterized PE embedding plant-soil model (SYMPHONY) which provides realistic predictions on forage production, soil C storage and N leaching for a permanent grassland. SYMPHONY also shows that plant persistence depends on a fine adjustment of microbial mineralization of SOM to plant nutrient uptake. This fine adjustment was modeled by considering the destruction of SOM through PE and the interactions between two microbial functional groups: SOM-decomposers and SOM-builders. Moreover, consistent with recent observations, SYMPHONY explains how elevated CO2 induce modification of soil microbial communities leading to an intensification of SOM mineralization and a decrease in the soil C stock

Résumé Dans différents pays de l'Europe de l'Ouest, des carences en soufre sont de plus en plus couramment observées sur les grandes cultures. Actuellement, les références précises sur le soufre font défaut pour développer des outils de gestion du soufre dans les sols cultivés. Récemment, afin de mieux quantifier et de modéliser la dynamique de S, le rôle de la biomasse du sol et la relation avec la dynamique du Carbone, les recherches se sont développées. En première partie de ce travail une étude de laboratoire a été effectuée sur 22 sols différant par leur texture , leur teneur en matière organique et leur histoire culturale pour déterminer le taux de minéralisation du soufre, du carbone et de l'azote et établir la relation entre minéralisation de S et certaines propriétés du sol. Les résultats suggèrent que la minéralisation du soufre est principalement conduite par l'activité microbienne hétérotrophe. Une équation de prédiction est proposée à partir du C organique, du pH du sol, du taux d'argile et du sulfate initial. L'objectif de la deuxième partie de ce travail était de quantifier l'impact de la disponibilité du soufre minéral de sol sur la décomposition des résidus de récolte et l'organisation du soufre. Ceci a été étudié d'une part en faisant varier la quantité initiale de S-SO42- dans le sol en présence de paille de colza et d'autre part avec des quantités croissantes de paille de blé apportées dans le sol afin de faire varier la demande en S de la microflore. Les résultats n'ont pas permis de mettre en évidence une limitation de la décomposition par la disponibilité de S, suggérant des besoins en S très limités de la microflore du sol pour assurer la décomposition de résidus végétaux. Enfin les effets de la nature des résidus végétaux et de leur contenu en soufre sur la dynamique de S ont été étudiés en troisième partie de ce travail. Ces résidus sont représentatifs des systèmes de grande culture (blé, colza, moutarde), mais aussi de prairies (fétuque) et forêts (feuilles de hêtre). Une relation entre C/S des résidus et minéralisation nette de S a été obtenue. Il a été mis en évidence l'importance du contenu en sulfate soluble de certains résidus de plante sur la libération nette de sulfate dans les sols. Les perspectives ouvertes par ce travail ont été abordées sous l'angle de la modélisation. D'une part a été évaluée la possibilité d'adapter un module de décomposition (du modèle sol-plante STICS) pour prédire la minéralisation de S des résidus végétaux au cours de leur décomposition dans des conditions optimales. D'autre part les résultats ont été utilisés pour élaborer des termes de minéralisation d'un bilan du soufre minéral, appliqué à la gestion de la fertilisation soufrée.

Ces dernières décennies, les plantations à croissance rapide sont apparues comme un moyen de répondre à la demande croissante en produits forestiers ligneux et comme une alternative à l'exploitation des forêts naturelles en zone tropicale. Un enjeu majeur est aujourd'hui de garantir la durabilité de ces plantations souvent installées sur sols pauvres et avec de fortes exportations de biomasse tous les 6-7 ans. Les litières présentes à la surface des sols peuvent jouer un rôle crucial sur la fertilité minérale et organique des sols qui conditionnent la productivité à court et long terme de ces écosystèmes tropicaux. L'objectif de ce travail était de comprendre par quels mécanismes le retrait ou l'ajout de litières influencent le développement de plantations d'Eucalyptus. En parallèle de mesures de croissance des arbres, la dynamique de minéralisation d'azote (N) au cours de la décomposition des rémanents a fait l'objet de plusieurs expérimentations. Les flux de nutriments en solution ont été comparés aux stocks initiaux dans les différents compartiments de l'écosystème et à la minéralomasse des arbres à la fin de l'étude. Un bilan de recouvrement de 15N apporté sous forme de rémanents lors de la plantation a été réalisé à l'échelle de la plantation. L'impact de la manipulation des litières sur les stocks de MO du sol a été évalué à partir d'analyses de sol ainsi que d'un partitionnement complet des sources de CO2 émis à la surface du sol. Les résultats de cette thèse montrent que la rétention des rémanents doit être optimisée et l'exportation de biomasse ligneuse compensée par l'apport de fertilisants, la pratique du brûlage doit être prohibée et les feux sauvages évités
In the last decades, fast-growing plantations have emerged as an important option to supply a growing share of the increasing demand for woody forest products and as an alternative to reduce the pressure on tropical rainforests. A major stake is nowadays to ensure the sustainability of these plantations often established on poor soils with large amounts of biomass exported every 6-7 years. Aboveground litters may play a crucial role on the mineral and the organic soil fertility which drive short- and long-term productivity in these tropical ecosystems. The main objective of our study was to identify the mechanisms involved in the Eucalyptus growth response to aboveground litter removal or addition over the two first years after planting. Apart from measurements of tree growth, the dynamic of nitrogen (N) mineralization in decomposing harvest residues has been studied in several experiments. Nutrient fluxes in soil solutions were compared to nutrient stocks initially contained in ecosystem compartments and to nutrient content within trees at age two years. A complete recovery budget of 15N brought within residues at the harvest was made at the stand scale. The long-term impact of aboveground litter manipulations on soil OM stocks was also assessed. Standard soil analyses (C&N) as well as a complete partitioning of soil CO2 efflux were carried out. The qualitative and quantitative dynamics of dissolved OM received special attention. The results show that the rapid release of potassium and the more progressive release of N contained in aboveground litter largely explain tree growth differences observed among OM management treatments. Eucalyptus tree considerably benefit from the nutrient released throughout litter decomposition since losses by deep drainage were very low as a consequence of soil depth and of the very fast development of roots both in the deep soil layers and in the organic layer. Our study also highlighted the large contribution of the topsoil OM (0-15 cm) for the production of nitrate and dissolved OM in gravitational soil solutions. The use of 15N labelling demonstrated that N is initially retained within the organic layer probably by microbial immobilization; transferred in simultaneous and balanced ways between organic residues components (leaves, barks and branches); and finally transported in particulate OM toward the mineral topsoil layer by gravitational water, supplying thus the soil OM pool on which the soil fertility relies. The retention of aboveground litter contributed to maintain soil OM stocks after the clear-cutting while its removal led to an initial decrease in soil OM stocks at the beginning of the rotation, which seemed to be balanced thereafter by litterfall inputs. The addition of litter led to an increase in dissolved OM fluxes in the first 15 centimeters of the soil profile which remained insignificant in comparison with soil OM stocks and exhibited low interactions with soil OM. Despite the rapid recovery of the soil OM pool, some nutrients might limit the productivity of these plantations after several rotations, as a result of repeated biomass exportation. Consequently, the retention of organic residues at the harvest should be optimized and the exportation of woody biomass must be compensated by fertiliser addition, burning of organic residues must be prohibited and wild fires prevented

Pendant plusieurs siècles, le sol a été labouré pour contrôler le développement des mauvaises herbes, incorporer des résidus de culture et préparer le sol avant le semis. Après le développement des herbicides la nécessité de labourer a été posée et des systèmes de travail du sol réduit ont été introduits. Ces systèmes de travail du sol réduit ont deux caractéristiques : (i) le sol n'est plus labouré et, (ii) le sol est toujours complètement ou partiellement couvert avec des résidus de culture. Le passage du labour profond au semis-direct (un système de travail du sol réduit) induit des modifications dans la structure du sol et la localisation de la matière organique du sol (MOS) et des résidus de culture. Ceci entraîne des modifications dans le climat du sol (température et humidité) et certaines propriétés biologiques, chimiques et physiques du sol. La combinaison de toutes ces modifications a une influence importante sur les transformations de l'azote et du carbone dans le sol. Les objectifs de notre étude ont été de (i) quantifier les différences des stocks et de flux de carbone et de l'azote entre différents systèmes de travail du sol différenciés depuis 32 années dans un sol limoneux de grande culture du bassin Parisien et, (ii) expliciter les effets du climat du sol, de la structure et des propriétés biologiques et physiques du sol sur les différences de fonctionnement des cycles du carbone et de l'azote du sol. Cette étude a été essentiellement focalisée sur les variables qui ont un impact agronomique ou environnemental : carbone et azote organique du sol, dynamique de l'azote minéral du sol et les émissions de CO2 et N2O. Deux systèmes de travail du sol ont été étudiés : le labour (CT) et le semis-direct (NT). Ces systèmes de travail du sol ont été suivis sur des parcelles en rotation maïs-blé du site expérimental de Boigneville (91) en France. NT présente des stocks de carbone 5 à 15 % plus importants et des stocks d'azote 3 à 10% supérieurs à ceux mesurés pour CT, mais ces différences n'ont pas toujours été statistiquement significatives. Les concentrations de C et N diminuent avec la profondeur en NT alors qu'elles sont distribuées de façon homogène dans la couche labourée en CT. La différence de stock d'azote organique associé aux argiles et limons et la différence de stock d'azote associé à la matière organique particulaire (MOP) ont chacune expliqué 50 % de la différence de stock d'azote total entre les deux systèmes. 66 % de la différence du stock de carbone total du sol ont été explicités par la différence de stock de carbone présent dans la MOP (58 %) et les résidus de culture (8 %). Le carbone et l'azote additionnel dans NT se situe dans des agrégats. Nos résultats suggèrent que les stocks de C et N plus importants pour NT peuvent être attribués à (i) la formation de macroagrégats plus prononcée dans la couche 0-5 cm due à l'activité microbienne et aux stocks de MOS plus importants et, (ii) la meilleure protection de la MOS dans la couche 5-20 cm due à une porosité du sol plus faible et à l'absence de la destruction de la structure du sol par le travail du sol ou le climat. Les modalités de travail du sol n'ont pratiquement pas eu d'influence sur les dynamiques de l'eau et de nitrates dans le profil (0-120 cm) du sol. L'interprétation des données avec le modèle LIXIM a permis de calculer des vitesses de minéralisation comparables pour les 2 systèmes que celles-ci soient calculées avec une échelle de temps exprimée en jours calendaires ou en jours normalisés (à une température et une humidité du sol de référence). Ces résultats montrent que la fourniture d'azote minéral par le sol est similaire dans les différents systèmes de travail du sol étudiés à Boigneville. Par ailleurs, les émissions de N2O ont eu tendance à être plus élevées pour NT que pour CT. Les émissions de CO2 en absence de couvert végétal ont pu être plus importantes pour l'un ou l'autre des systèmes de travail du sol en fonction des conditions climatiques et de la localisation des résidus de culture. Le cumul des quantités de CO2 émis par NT a été significativement plus important que pour CT. Au cours d'une seconde partie du travail, nous avons cherché à montrer si les différences de stocks et de flux de C et N entre les différentes modalités de travail du sol étaient le résultat des modifications des conditions climatiques, de la localisation et des quantités de SOM et résidus de culture ou des propriétés biologiques ou physiques du sol. D'abord, nos résultats ont montré que la minéralisation potentielle du C et N en conditions contrôlées n'a pas été moins importante pour NT comparé à CT. Par ailleurs, la protection physique de la MOS contre la minéralisation du C et N a été évaluée par incubation d'échantillons de sol dont les structures entre 50 µm et 12.5 mm ont été progressivement détruites. Quatre zones structurales ont été considérées : zones avec une structure poreuse ou compacte pour CT et horizons 0-5 et 5-20 cm pour NT. Les résultats indiquent que la destruction de la structure de l'horizon 0-5 cm de NT induit une faible augmentation de la minéralisation de l'azote et pas d'augmentation pour la minéralisation du carbone. La protection de la MOS est en réalité la plus importante pour la couche 5-20 cm du NT. Ensuite, les différences de décomposition de la MOS entre CT et NT au champ ont été influencées par des différences de la température et de l'humidité du sol. Toutefois ces différences ont été souvent faibles et les conditions n'ont pas été systématiquement plus favorables pour la décomposition dans l'un ou l'autre des systèmes de travail du sol. Néanmoins, la distribution et la quantité de pluie et l'évaporation d'eau ont eu une influence importante sur la dynamique des flux de CO2. Les pluies induisent une réhumectation rapide des résidus de surface qui entraîne une augmentation importante des flux de CO2 pour NT par rapport à CT. Après les pluies, la teneur en eau des résidus de surface diminue rapidement ce qui limite sérieusement leur décomposition entraînant des émissions plus faibles pour NT comparé à CT. Finalement, les flux de C et N ont été simulés avec le modèle PASTIS. Les simulations ont montré que la quantité cumulée plus importante de CO2 émise par NT a résulté d'une décomposition plus importante des résidus de culture et pas d'une différence de décomposition des MOS. En réalité, la plus grande quantité des résidus de culture accumulée à la surface du sol dans NT fait plus que compenser la plus faible vitesse de décomposition des résidus en surface pour NT comparé avec la situation de résidus enfouis pour CT. En définitive, c'est la teneur en eau du mulch de résidus qui contrôle le plus l'amplitude de la différence de vitesse de décomposition des résidus entre CT et NT.

Cette thèse s'inscrit dans une approche résolument pluridisciplinaire, centrée sur l'étude biogéochimique des cycles d'éléments majeurs - éléments en trace dans les eaux contrôlées par l'activité des microorganismes (piégeage/rélargage par la biomasse ou dégradation de la matière organique dissoute et particulaire). Le caractère innovant de ?ette thèse réside dans l'étude, pour la première fois, de l'impact de l'activité microbienne (minéralisation aerobiques par les bactéries typiques des sols, Pseudomonas) sur les cycles biogéochimiques des éléments grâce à la mise en oeuvre en parallèle d'outils géochimiques, physicochimiques et microbiologiques. Cette étude simultanée des cycles biogéochimiques des éléments et des paramètres d'activité biologique nous permettra de prédire les réponses des systèmes naturels aux changements climatiques et aux interventions humaines (sous forme de pollution organique ou métallique). Les études de terrain ont été accompagnés par des étude plus detaillés en laboratoire des mécanismes réactionnels. Dans le cadre de ce travail, mes efforts ont été consacrés à l'étude physicochimique des processus via la modélisation expérimentale de la dégradation de la matière organique des extraits du sol. Et des recherches des relations quantitatives entre la dégradation de la matière organique par les bactéries hétérotrophes Pseudomonas et les cycles des éléments associés
Multidisciplinary approach for the study of the biogeochemical cycles of the main elements in soils and waters controlled by the activity of microorganisms (by uptake/release of cells or in the process of degradation of dissolved organic matter) was used in the thesis. The innovation of this work is to study the effect of microbial activity (soil typical aerobic bacteria Pseudomonas) on the biogeochemical cycles of elements due to take place geochemical, physical, chemical and microbiological processes. The simultaneous study of the biogeochemical cycles of elements and parameters of biological activity will allow us to predict the response of natural systems to climate change and human-induced disturbance (organic or metallic contamination). Field studies were accompanied by detailed laboratory studies of the reaction mechanisms. The thesis considers to the study of physical and chemical processes using of experimental modeling of the degradation of organic matter in soil extracts and to the study of the quantitative relation between the degradation of organic matter by heterotrophic bacteria Pseudomonas and cycles elements

L'étude est réalisée in vitro sur deux types de sols et à deux stades d'activité biologique. L’importance du flush de minéralisation du carbone du à la dessiccation-réhumidification est fonction de l'activité biologique au moment de la dessiccation. Le surcroit de CO2 provient partiellement des cadavres microbiens triés par la dessiccation et de matériel non vivant rendu minéralisable. Le flush de minéralisation de l'azote est relativement plus faible : il est contrôlé par la réorganisation qui a lieu lors de la réhumidification du sol et semble provenir des cadavres microbiens et de leurs métabolites

L'effet du réseau bocager sur l'organisation des sols à l'échelle d'un paysage reste mal connu, car la majorité des études ont été menées en deux dimensions, en se limitant souvent à des contextes de talus perpendiculaires à la ligne de plus grande pente. L'extrapolation des résultats ainsi obtenus à l'ensemble du paysage, est de ce fait difficile et conduit à une mésestimation de l'impact du bocage sur les sols.
Les objectifs de ce travail étaient de comprendre et de quantifier à l'échelle d'un paysage bocager, l'effet du système talus/haie sur l'organisation des sols et sur les stocks de carbone organique associés, ainsi que de décrire la dynamique des processus spatiaux qui ont conduit aux organisations observées.
Pour y parvenir, la démarche adoptée a combiné trois approches complémentaires. Tout d'abord, nous avons conduit une étude de terrain dans un paysage bocager historiquement documenté et offrant des conditions topo-paysagères contrastées avec pour but une caractérisation spatiale de l'effet du réseau bocager qui prenne en compte l'action de l'homme et la nature tridimensionnelle de la couverture pédologique à l'échelle du paysage.
Ensuite, nous avons couplé des approches de datation relative (analyse de documents historiques et géométrie des horizons) et absolue (carbone-14, césium-137), complémentaires des approches spatiales, pour dater les sols et analyser la dynamique des processus à l'origine des modifications de leur
organisation spatiale.
Cette prise en compte de la dimension temporelle était nécessaire pour améliorer notre compréhension des processus de redistribution en sol et nous permettre d'engager une modélisation spatiale et temporelle simulant des évolutions du paysage bocager en fonction de différents scénarii d'occupation des sols.

Thèse de doctorat--Sciences de l'environnement--Rennes--École nationale supérieure d'agronomie de Rennes, 2005.
Contient aussi un texte en anglais. Bibliogr. p. 217-228. Résumé en français et en anglais.

L'effet du réseau bocager sur l'organisation des sols à l'échelle d'un paysage reste mal connu, car la majortié des études ont été menées en deux dimensions, en se limitant souvent à des contextes de talus perpendiculaires à la ligne de plus grande pente. L'extrapolation des résultats ainsi obtenus à l'ensemble du paysage est de ce fait difficile et conduit à une mésestimation de l'impact du bocage sur les sols. Les objectifs de ce travail étaient de comprendre et de quantifier à l'échelle d'un paysage bocager l'effet du système talus/haie sur l'organisation des sols et sur les stocks de carbone organique associés ainsi que de décrire la dynamique des processus spatiaux qui ont conduit aux organisations observées. Pour y parvenir la démarche adoptée a combiné trois approches complémentaires. Tout d'abord nous avons conduit une étude de terrain dans un paysage bocager historiquement documenté et offrant des conditions topopaysagères contrastées avec pour but une caractérisation spatiale de l'effet du réseau bocager qui prenne en compte l'action de l'homme et la nature tridimensionnelle de la couverture pédologique à l'échelle du paysage. Ensuite nous avons couplé des approches de datation relative (analyse de documents historiques et géométrie des horizons) et absolue (carbone-14, césium-137), complémentaires des approches spatiales pour dater les sols et analyser la dynamique des processus à l'origine des modifications de leur organisation spatiale. Cette prise en compte de la dimension temporelle était nécessaire pour améliorer notre compréhension des processus de redistribution en sol et nous permettre d'engager une modélisation spatiale et temporelle simulant des évolutions du paysage bocager en fonction de différents scénarii d'occupation des sols
The effect of hedgerow network on soil organisation at landscape scale is still unclear as most studies have been done in 2D focusing on situations with hedges perpendicular to the steepest slope. Therefore extrapolation at the whole landscape induces a wrong estimation of the hedgerow network effect at the landscape scale. Aims of this study were to understand and quantify at landscape scale, the effect of the hedgerwo network on soil organisation and on asociated soil organic carbon stocks and to desribe the dynamic of spatial processes responsible for these organisations. The adopted strategy has combined three complementary approaches. First a field study was carried out in an hedgerow network landscape historically documented, having contrated topographical and landscape situations. This in order to obtain a spatial caracterisation of hedgerow networks which take into account human activities and three dimensional nature of the pedological covre at landscape scale. We combined relative dating approaches (analysis of historical documents and of soil geometry) and absolute dating technique (14-carbon, 137-Caesium), complementary to the spatial approaches. These techniques allowed us to date the organo-mineral horizons of the soil cover and to analyse the dynamic of processes responsible for modifications of the soil spatial organisation

Devant la complexité du cycle de l’azote (N) et la variété de ses formes disponibles dans le sol, la planification de la fertilisation de cet élément repose sur des calculs et considérations complexes. La fertilisation biologique a de particulier que l’N est apporté sous forme organique, alors que les plantes le prélèvent principalement sous forme minérale. La disponibilité de l’N repose donc sur une minéralisation efficace des amendements. Cette situation peut mener des producteurs à surfertiliser, entraînant des pertes financières et d’N dans l’environnement. Parvenir à une meilleure synchronisation de la minéralisation de l’N avec les besoins de la plante est donc crucial pour le développement de la serriculture biologique, où les besoins en azote des cultures sont de loin plus élevés qu’au champ. De plus, la capacité de certaines plantes à prélever directement l’N sous forme organique est souvent considérée négligeable en agriculture, mais pourrait être plus importante qu’on ne le croit, contribuant ainsi substantiellement au bilan d’N de la plante. Les objectifs généraux de ma thèse étaient de : (1) évaluer les taux de minéralisation de fertilisants biologiques couramment utilisés en culture légumière sous serre au Québec ; (2) étudier l’impact de différentes sources fertilisantes sur la biodiversité des bactéries du sol ; (3) étudier la capacité du concombre à prélever l’N directement sous forme organique ; et (4) développer et valider un outil de gestion de la fertilisation biologique azotée. Une expérience d’incubation de cinq fertilisants biologiques d’usage commun en serriculture biologique a été menée. La minéralisation de l’N a plafonné dans un sol minéral et un substrat tourbeux à, respectivement, 41 et 63 % de l’N appliqué pour le fumier de poule granulé, 56-93 % pour la farine de sang, 54-81 % pour la farine de plume, 34-43 % pour la farine de luzerne et 57-73 % pour la farine de crevette. Dans un sol minéral, la biodiversité bactérienne alpha (indice Shannon) a été augmentée par l’apport de farine de luzerne, alors que dans un substrat organique à base de tourbe, ce sont la farine de crevette et le fumier de poule granulé qui l’ont le plus augmentée. En se basant sur ces résultats, le modèle NLOS a été adapté à la serriculture biologique pour produire le nouveau modèle NLOS-OG. Cet outil a été validé en serres expérimentales et commerciales et a permis une prédiction satisfaisante de la disponibilité d’N minéral pour une culture en sol minéral, ainsi que de la minéralisation cumulative de fertilisants appliqués dans un sol ou un substrat tourbeux. Par contre, de la recherche spécifique à la dynamique de l’eau dans les cultures biologiques en contenants sera nécessaire afin de prédire adéquatement la disponibilité de l’azote dans ce système. Une interface web est disponible pour les agronomes et producteurs (https://exchange.iseesystems. com/public/pierrepauldion/nlos-og/). Le contenu en C et N solubles du substrat biologique d’une culture de concombre en serre biologique a été positivement corrélé au contenu en C et N organiques de la sève du xylème et aux solides solubles du fruit, suggérant un prélèvement et un transfert de C et N organiques vers les parties aériennes et les fruits. Dans une seconde expérience, en milieu contrôlé, de jeunes plants de concombre ont été exposés à une solution d’alanine enrichie en 13C et 15N. En combinant l’utilisation de molécules marquées à une position spécifique (Position-specific labelling) et l’analyse isotopique spécifique au composé (Compound-specific isotopic analysis), nous avons développé une approche innovatrice permettant de suivre le métabolisme de l’assimilation de l’N issu d’un acide aminé prélevé par les racines. Nous avons ainsi démontré que les racines peuvent prélever et assimiler l’N sous forme organique, surtout en situation de rareté de l’N. Elles ont toutefois une nette préférence pour les formes inorganiques (nitrate et ammonium). Les contributions scientifiques découlant de cette étude doctorale sont : (1) une meilleure connaissance de la minéralisation des fertilisants biologiques azotés ; (2) l’intégration de ces taux de minéralisation dans un outil de gestion de l’N applicable en serriculture biologique; et (3) une meilleure compréhension du prélèvement et de l’assimilation de l’azote organique par des plants de concombre. Ces connaissances permettront une meilleure planification de la fertilisation à base de matière organique, et par conséquent un accroissement de la durabilité de la serriculture biologique.
Devant la complexité du cycle de l’azote (N) et la variété de ses formes disponibles dans le sol, la planification de la fertilisation de cet élément repose sur des calculs et considérations complexes. La fertilisation biologique a de particulier que l’N est apporté sous forme organique, alors que les plantes le prélèvent principalement sous forme minérale. La disponibilité de l’N repose donc sur une minéralisation efficace des amendements. Cette situation peut mener des producteurs à surfertiliser, entraînant des pertes financières et d’N dans l’environnement. Parvenir à une meilleure synchronisation de la minéralisation de l’N avec les besoins de la plante est donc crucial pour le développement de la serriculture biologique, où les besoins en azote des cultures sont de loin plus élevés qu’au champ. De plus, la capacité de certaines plantes à prélever directement l’N sous forme organique est souvent considérée négligeable en agriculture, mais pourrait être plus importante qu’on ne le croit, contribuant ainsi substantiellement au bilan d’N de la plante. Les objectifs généraux de ma thèse étaient de : (1) évaluer les taux de minéralisation de fertilisants biologiques couramment utilisés en culture légumière sous serre au Québec ; (2) étudier l’impact de différentes sources fertilisantes sur la biodiversité des bactéries du sol ; (3) étudier la capacité du concombre à prélever l’N directement sous forme organique ; et (4) développer et valider un outil de gestion de la fertilisation biologique azotée. Une expérience d’incubation de cinq fertilisants biologiques d’usage commun en serriculture biologique a été menée. La minéralisation de l’N a plafonné dans un sol minéral et un substrat tourbeux à, respectivement, 41 et 63 % de l’N appliqué pour le fumier de poule granulé, 56-93 % pour la farine de sang, 54-81 % pour la farine de plume, 34-43 % pour la farine de luzerne et 57-73 % pour la farine de crevette. Dans un sol minéral, la biodiversité bactérienne alpha (indice Shannon) a été augmentée par l’apport de farine de luzerne, alors que dans un substrat organique à base de tourbe, ce sont la farine de crevette et le fumier de poule granulé qui l’ont le plus augmentée. En se basant sur ces résultats, le modèle NLOS a été adapté à la serriculture biologique pour produire le nouveau modèle NLOS-OG. Cet outil a été validé en serres expérimentales et commerciales et a permis une prédiction satisfaisante de la disponibilité d’N minéral pour une culture en sol minéral, ainsi que de la minéralisation cumulative de fertilisants appliqués dans un sol ou un substrat tourbeux. Par contre, de la recherche spécifique à la dynamique de l’eau dans les cultures biologiques en contenants sera nécessaire afin de prédire adéquatement la disponibilité de l’azote dans ce système. Une interface web est disponible pour les agronomes et producteurs (https://exchange.iseesystems. com/public/pierrepauldion/nlos-og/). Le contenu en C et N solubles du substrat biologique d’une culture de concombre en serre biologique a été positivement corrélé au contenu en C et N organiques de la sève du xylème et aux solides solubles du fruit, suggérant un prélèvement et un transfert de C et N organiques vers les parties aériennes et les fruits. Dans une seconde expérience, en milieu contrôlé, de jeunes plants de concombre ont été exposés à une solution d’alanine enrichie en 13C et 15N. En combinant l’utilisation de molécules marquées à une position spécifique (Position-specific labelling) et l’analyse isotopique spécifique au composé (Compound-specific isotopic analysis), nous avons développé une approche innovatrice permettant de suivre le métabolisme de l’assimilation de l’N issu d’un acide aminé prélevé par les racines. Nous avons ainsi démontré que les racines peuvent prélever et assimiler l’N sous forme organique, surtout en situation de rareté de l’N. Elles ont toutefois une nette préférence pour les formes inorganiques (nitrate et ammonium). Les contributions scientifiques découlant de cette étude doctorale sont : (1) une meilleure connaissance de la minéralisation des fertilisants biologiques azotés ; (2) l’intégration de ces taux de minéralisation dans un outil de gestion de l’N applicable en serriculture biologique; et (3) une meilleure compréhension du prélèvement et de l’assimilation de l’azote organique par des plants de concombre. Ces connaissances permettront une meilleure planification de la fertilisation à base de matière organique, et par conséquent un accroissement de la durabilité de la serriculture biologique.
Because of the complexity of the nitrogen (N) cycle and the diversity of its molecule forms in the soil, N fertilization management is based on complex calculations and considerations. For organic farming, N is provided via organic amendments and biological fixation. However, lack of precise tools that predict the N mineralization rate of N sources leads some producers to over-fertilize, resulting in the buildup of salinity, N leaching and possible loss of profits. Consequently, better knowledge of N availability following organic fertilization, to improve synchronization of N supply with crop N demand, is crucial to advance sustainable organic horticulture. In addition, the capacity of plants to take up N directly as organic molecules is seldom considered in agriculture and could be higher than previously thought, contributing significantly to the plant’s N budget. The objectives of this thesis were to: (1) evaluate the mineralization rates from organic fertilizers commonly used in greenhouse vegetable horticulture in Quebec; (2) study the impact of different fertilizer sources on soil bacterial diversity; (3) study the capacity of cucumber plants to take up and assimilate N directly as organic molecules; and (4) develop and validate a N management tool for organic fertilization. An incubation experiment with five organic fertilizers commonly used in organic greenhouse horticulture was performed. Nitrogen mineralization plateaued for a mineral soil and a peat substrate at respectively 41 and 63% of applied N for pelleted poultry manure, 56-93% for blood meal, 54-81% for feather meal, 34-53% for alfalfa meal, and 57-73% for shrimp meal. Organic fertilizers supported markedly contrasted bacterial communities, closely linked to soil biochemical properties, especially mineral N, pH and soluble C. Alfalfa meal promoted the highest alpha diversity (Shannon index) in the mineral soil, whereas shrimp meal and pelleted poultry manure increased it in the peat-based growing medium. Based on those results, we adapted the NLOS model to organic greenhouse horticulture and developed the new model NLOS-OG. This tool was validated in commercial and experimental greenhouses. It yielded a satisfying prediction of mineral N availability in a greenhouse crop grown in native mineral soil, and for the cumulative mineralization of fertilizers applied in a soil or organic substrate. However, further research should focus on water dynamics in containerized organic crops in order to achieve a precise prediction of N availability in that cropping system. A free web interface for NLOS-OG is now available for agronomists and growers (https://exchange. iseesystems.com/public/pierrepauldion/nlos-og/).In a greenhouse experiment, the C and N content of soil solution was positively linked to the xylem sap C and N content of mature cucumber plants and appeared to contribute to the accumulation of soluble solids in cucumber fruits, suggesting uptake and transfer of soil soluble organic N and C to the shoot and fruits. In a second experiment, in a growth chamber, young cucumber plants were exposed to 13C- and 15N-labelled alanine. By combining two methods, i.e., the use of Position-specific labelling (PSL) of alanine and Compound-specific isotopic analysis (CSIA) of free amino acids, we developed a novel approach allowing the study of the mechanism of the assimilatory metabolism of an amino acid taken up by the roots. We demonstrated that their roots can take up and assimilate N as organic molecules, although they showed a preference for inorganic N forms (nitrate and ammonium). The scientific contributions from this doctoral study are: (1) a better knowledge of the nitrogen release from nitrogen organic fertilizers; (2) the integration of mineralization rates into a N management tool adapted to organic greenhouse horticulture; and (3) a better understanding of the uptake and assimilation of organic N by cucumber plants. This knowledge will contribute to a better planning of N fertilization based on organic matter, thus increasing the sustainability of organic greenhouse horticulture.
Because of the complexity of the nitrogen (N) cycle and the diversity of its molecule forms in the soil, N fertilization management is based on complex calculations and considerations. For organic farming, N is provided via organic amendments and biological fixation. However, lack of precise tools that predict the N mineralization rate of N sources leads some producers to over-fertilize, resulting in the buildup of salinity, N leaching and possible loss of profits. Consequently, better knowledge of N availability following organic fertilization, to improve synchronization of N supply with crop N demand, is crucial to advance sustainable organic horticulture. In addition, the capacity of plants to take up N directly as organic molecules is seldom considered in agriculture and could be higher than previously thought, contributing significantly to the plant’s N budget. The objectives of this thesis were to: (1) evaluate the mineralization rates from organic fertilizers commonly used in greenhouse vegetable horticulture in Quebec; (2) study the impact of different fertilizer sources on soil bacterial diversity; (3) study the capacity of cucumber plants to take up and assimilate N directly as organic molecules; and (4) develop and validate a N management tool for organic fertilization. An incubation experiment with five organic fertilizers commonly used in organic greenhouse horticulture was performed. Nitrogen mineralization plateaued for a mineral soil and a peat substrate at respectively 41 and 63% of applied N for pelleted poultry manure, 56-93% for blood meal, 54-81% for feather meal, 34-53% for alfalfa meal, and 57-73% for shrimp meal. Organic fertilizers supported markedly contrasted bacterial communities, closely linked to soil biochemical properties, especially mineral N, pH and soluble C. Alfalfa meal promoted the highest alpha diversity (Shannon index) in the mineral soil, whereas shrimp meal and pelleted poultry manure increased it in the peat-based growing medium. Based on those results, we adapted the NLOS model to organic greenhouse horticulture and developed the new model NLOS-OG. This tool was validated in commercial and experimental greenhouses. It yielded a satisfying prediction of mineral N availability in a greenhouse crop grown in native mineral soil, and for the cumulative mineralization of fertilizers applied in a soil or organic substrate. However, further research should focus on water dynamics in containerized organic crops in order to achieve a precise prediction of N availability in that cropping system. A free web interface for NLOS-OG is now available for agronomists and growers (https://exchange. iseesystems.com/public/pierrepauldion/nlos-og/).In a greenhouse experiment, the C and N content of soil solution was positively linked to the xylem sap C and N content of mature cucumber plants and appeared to contribute to the accumulation of soluble solids in cucumber fruits, suggesting uptake and transfer of soil soluble organic N and C to the shoot and fruits. In a second experiment, in a growth chamber, young cucumber plants were exposed to 13C- and 15N-labelled alanine. By combining two methods, i.e., the use of Position-specific labelling (PSL) of alanine and Compound-specific isotopic analysis (CSIA) of free amino acids, we developed a novel approach allowing the study of the mechanism of the assimilatory metabolism of an amino acid taken up by the roots. We demonstrated that their roots can take up and assimilate N as organic molecules, although they showed a preference for inorganic N forms (nitrate and ammonium). The scientific contributions from this doctoral study are: (1) a better knowledge of the nitrogen release from nitrogen organic fertilizers; (2) the integration of mineralization rates into a N management tool adapted to organic greenhouse horticulture; and (3) a better understanding of the uptake and assimilation of organic N by cucumber plants. This knowledge will contribute to a better planning of N fertilization based on organic matter, thus increasing the sustainability of organic greenhouse horticulture.

Les sols constituent le premier réservoirterrestre de carbone organique et jouent ainsi un rôleclé pour limiter le réchauffement climatique. Les solsurbains représentent 3% du territoire mondial etl’urbanisation est la première cause de changementd’affectation des sols. L’augmentation rapide dessurfaces artificialisées a entraîné un intérêt croissantquant à la capacité des sols urbains à stocker ducarbone. Les travaux de thèse ont visé à comprendrela contribution des sols urbains au stock global decarbone organique et à proposer une méthodestandardisée pour son suivi. Les recherches ont aussiporté sur l’étude de la stabilité du carbone organiquedes sols urbains et la modélisation de la dynamique dece carbone. Une base de données a été construite àpartir de données disponibles au niveau national, puisde mesures supplémentaires acquises dans trois villes françaises.Le stock de carbone des sols ouverts est similaireentre les villes, et équivalent voire supérieur enprofondeur, à celui des sols forestiers environnants.Ce stock dépend plus particulièrement du mode degestion des espaces verts urbains, et de l’histoire dusite. Ainsi, les sols urbains ouverts sont caractériséspar une forte proportion de matières organiqueslabiles sur 0-44 cm de profondeur. Au contraire, lessols scellés présentent des stocks de carbone trèsfaibles. Ils sont caractérisés par une forte proportionde matières organiques stables dont l’évolution(stockage ou minéralisation) dépend de l’état dedormance microbienne. Un modèle conceptuel de ladynamiq
Soils are the largest terrestrial pool oforganic carbon and thus play a key role in mitigatingclimate change. The urban soils account for 3% of theworld’s territory and urbanization is currently theprimary cause of land use change. The increase ofartificial areas have led to a growing interest in theurban soil ability to store organic carbon. This workaimed to understand the contribution of urban soils tothe global organic carbon stock and to propose astandardized method for its monitoring. The researchalso focused on studying the stability of organic carbonin urban soils and modeling its dynamics. A databasewas built using data available at the French territorylevel as well as using additional measurements acquired in three French cities.The organic carbon stock in urban open soils aresimilar between cities, and equivalent, or even higherin depth, than that of surrounding forest soils. Thestock in open soils is particularly dependent upon themanagement methods of the urban green spaces,and on the specific site history. Thus, open urban soilsare characterized by a high proportion of labileorganic matter at 0-44 cm depth. Conversely, sealedsoils have very low carbon stocks. They arecharacterized by a high proportion of stable organicmatter whose evolution (storage or mineralization)depends on the dormant state of the microbialcommunities. A conceptual model of carbon dynamicsfor these two soil types has been developed. Finally,recommendations for optimizing carbon monitoringand urban soil management have been proposed

Ce travail s'inscrit dans la lutte contre les changements climatiques et plus particulièrement la réduction de la concentration en CO2 atmosphérique. L'objectif est de comprendre les mécanismes de stabilisation du carbone dans les horizons profonds des sols. L'influence de la végétation, des minéraux et d'un apport de matière organique anthropique (compost) sur la dynamique du carbone a aussi été étudiée. Quatre sols représentatifs des principaux modes d'occupation (prairie, forêt et culture) ont été caractérisés. Dans les sols sous prairie et sous forêt, les apports de matière organique fraîche étant limités en profondeur, la quantité de matière organique diminue tout en devenant plus réfractaire. Son taux reste cependant élevé ce qui est probablement lié à la forte quantité d'argiles et à la diminution de l'activité biologique. Les différents modes d'occupation influencent la quantité de matière organique mais modifient peu sa qualité. En effet, si les taux de carbone et les quantités de lipides sont plus importants dans les sols cultivés que dans les sols à végétation permanente, l'étude structurale de la matière organique révèle peu de différences. Enfin, l'étude de la matière organique associée aux minéraux a montré un remaniement bactérien plus important dans les fractions granulométriques les plus fines. L'apport de matière organique sur un sol cultivé modifie l'activité biologique et entraîne une amélioration de la stabilité structurale. Le changement de répartition des différentes formes de matière organique associé à la présence de marqueurs moléculaires du compost dans les lipides et les substances humiques montre une incorporation du carbone exogène
Carbon dioxide sequestration in plant and carbon storage in soil and biomass could be considered as a complementary solution against the increase in concentration of gases responsible for climate change. The aim of this work is to understand the mechanisms of organic matter stabilization in the deepest horizons of soils. The influence of landuse, minerals and amendment with organic matter (compost) on the carbon dynamic has been studied. Four soils representing different landuses (grassland, forest and arable soil) were characterized. The organic matter decreases in amount with depth and becomes more refractory. The relatively high amount of organic matter in deep horizons is probably related to the strong presence of clays and to the low biological activity. The different vegetations seem to influence strongly the quantity of soil organic carbon while affecting slightly its quality. Indeed, the structural study of organic matter shows weak differences whereas the amount of carbon and lipids are more important in arable soil. The study of organomineral associations revealed that the bacterial contribution is more important in fine fractions. Amendment with organic matter of an arable soil affects the biological activity and improves its structural stability. The distribution of the different forms of organic matter has been modified and the presence of molecules originating from the compost in lipids and humic substances show an incorporation of exogenous carbon

Des résultats récents ont montré que les podzols équatoriaux stockent d’importantes quantités de carbone dans leurs horizons Bh profonds. Cette constatation amène deux questions principales : (1) comment et à quel rythme se sont formés ces sols (2) dans quelle mesure le changement climatique pourrait induire une production par ces sols de carbone atmosphérique susceptible d’impacter le système climatique mondial.Dans ce contexte, nous avons réalisé un modèle qui permet de contraindre les flux de carbone à la fois par les stocks observés et leur âge 14C. En situation suffisamment simplifiée, nous avons établi une relation formelle entre l’évolution des stocks et l’âge 14C de celui-ci. Appliqué aux podzols amazoniens, notre modèle a apporté des résultats nouveaux et inattendus. Il a permis de montrer que ce sont les horizons de surface des aires podzolisées les plus hydromorphes qui sont les plus gros contributeurs de MOD transférée vers le réseau hydrographique et la mer. On observe que la formation des Bh n’est possible qu’en envisageant deux compartiments, rapide et lent. Une estimation basse de leur temps de formation permet de différencier des podzols relativement jeunes (temps de formation de l’ordre de 15 103 - 25 103 ans), développés sur des sédiments Holocènes relativement récents, et des podzols âgés (temps de formation de l’ordre de 180 103 - 290 103 ans), développés sur des sédiments plus anciens. Le taux d’accumulation du carbone dans les podzols étudiés varie de 0,54 à 3,17 gC m-2 an-1, ce qui correspond à une séquestration de carbone de l’ordre de 3 1011 gC an-1, faibles à l’échelle annuelle, mais significative aux échelles géologiques.Les expérimentations de percolation en colonne nous ont permis de montrer la réactivité du Bh et la présence, malgré des rapports C/N très élevés (63 en moyenne), d’une activité bactérienne significative qui modifie la nature de la MOD qui le traverse. Cette dernière a la capacité de transporter Al et Fe sous forme de complexes organo-métalliques, complexes susceptibles de migrer à travers des matériaux très kaolinitiques. Ces résultats participent à la compréhension des transferts de MOD d’origine pédologique dans les nappes profondes.Dans l’hypothèse de l’apparition d’un climat à saisons contrastées, nous avons pu montrer qu’une durée sans pluie de 90 jours après disparition de la nappe perchée ne permettrait pas d’atteindre le point d’entrée d’air par assèchement des horizons superficiels. Néanmoins, dans l’hypothèse d’une entrée d’air, l’extrapolation des taux de minéralisation mesurés expérimentalement en conditions oxiques aboutit à une production de C atmosphérique de l’ordre de 2,0 1014 g de CO2 par an, ce qui peut impliquer une rétroaction positive du système climatique mondial
Recent results have shown that equatorial podzols store large amounts of carbon in their deep Bh horizons. This leads to two main questions: (1) how and at what kinetics these soils were formed, (2) how climate change could induce atmospheric carbon production that could impact the global climate system.In this context, we have developed a model that allows to constrain carbon fluxes both by the observed C stocks and their 14C age. In a sufficiently simplified situation, we have established a formal relationship between the C stock evolution and its 14C age. Applied to Amazonian podzols, our model has brought new and unexpected results. It has been shown that the surface horizons of the most hydromorphic podzolized areas are the largest contributors of MOD transferred to the hydrographic network then to the sea. It is observed that the formation of Bh is only possible by considering two compartments, fast and slow. The estimate of their formation time (low estimate) allowed to differentiate between relatively young podzols (formation time 15 – 25 ky) developed on relatively recent Holocene sediments and old podzols (formation 180 – 290 ky) developed on older sediments. The carbon accumulation rate in the studied podzols ranges from 0.54 to 3.17 gC m-2 y-1, which corresponds to a carbon sequestration around 3 1011 gC an-1, which is significant at the geological scales.Column percolation experiments allowed us to show the reactivity of the Bh material and the presence, despite very high C/N ratios (63 on average), of a significant bacterial activity which modifies the nature of the MOD which percolates through it. This MOD has the capacity to transport Al and Fe in the form of complex organometallic complexes capable of migrating through very kaolinitic materials. These results contribute to the understanding of the transfers of pedologically formed MOD in the deep aquifers.Under the hypothesis of the appearance of a climate with contrasting seasons, we have been able to show that a 90-day period without rain after the disappearance of the perched water-table would not allow to reach the point of entry of air by drying of superficial horizons. Nevertheless, assuming an air entry, the extrapolation of the experimentally measured mineralization rates under oxic conditions results in a production of atmospheric C around 2.0 1014 g of CO2 per year, which may involve a positive feedback from the global climate system

Le but de ce travail est l'investigation structurale de la fraction lipides complexes presente dans les sols. La premiere partie de cette etude a concerne la matiere organique d'une tourbe acide qui tend a s'accumuler, et plus particulierement les lipides macromoleculaires, qui par opposition aux lipides simples ne sont pas directement analysables. Des methodes de degradation par pyrolyse et thermochimiolyse preparatives ont ete mises en oeuvre. Ces techniques rapides d'analyse evitent l'application successive de reactions de degradations chimiques selectives longues. Elles ont confirme le caractere aliphatique des lipides complexes. Elles ont mis en evidence un nombre important de composes constitutifs des macromolecules lipidiques, qui apparaissent formees de biopolymeres (herites de vegetaux ou de bacteries) et de chaines carbonees reticulees par des liaisons ether ou ester, composant ainsi une matrice complexe. Dans une deuxieme partie, la biodegradation de lipides traceurs (hydrocarbure, alcools et triglyceride) a ete suivie dans differents echantillons de sols, afin de mettre en evidence l'incorporation eventuelle de ces lipides ou molecules derivees, dans les lipides macromoleculaires. Parallelement, une etude de terrain a concerne le devenir de graisses presentes dans les effluents d'une industrie agro-alimentaire. La methode de thermochimiolyse analytique a fait apparaitre le transfert rapide, de lipides simples issus de l'effluent ou des molecules additionnees au sol, dans les lipides macromoleculaires. L'arret des epandages montre que cette incorporation est reversible. Ces travaux ont aussi montre que les echanges etaient plus lents entre les lipides simples et les acides humiques. Cette etude a permis de determiner les mecanismes de transformation et les modes d'incorporation, des differents composes xenobiotiques, dans les sols et confirme la necessite d'etudier les fractions complexes lorsqu'on souhaite etablir le bilan du carbone organique.

L'extraction par dioxyde de carbone supercritique est appliquée à la décontamination des sols pollués par des composés organiques. Nous avons abordé trois aspects du processus d'extraction: 1) Le calcul des solubilités des composés organiques dans les fluides supercritiques : nous proposons un modèle thermodynamique qui est basé sur la relation existant entre l'énergie libre de· Helmholtz des composés purs et l'énergie libre d'excès du mélange, à compacité constante. Les composés interviennent dans l'équation d'état du mélange avec des différentes équations d'état. Ce modèle a été appliqué dans le cas des équilibres solide-fluide et liquide-fluide. Une méthode de contribution de groupes a été développée afin de prédire les équilibres dans les mélanges hydrocarbure-dioxyde de carbone. 2) L'équilibre d'adsorption du biphényle dans le sol, en présence de C02 supercritique, a été étudié expérimentalement et représenté par le modèle réticulaire de Bragg Williams. Le modèle adopté permet le calcul de l'adsorption pour un ensemble de données température-pression-composition. 3) Pour l'étude de la cinétique d'extraction nous avons utilisé un sol contaminé artificiellement avec du biphényle. Dans le sol, le polluant est distribué entre une phase condensée et une phase adsorbée. Par conséquent, le modèle de l'extraction contient,un terme pour la cinétique de dissolution et un terme pour la cinétique de désorption. Les paramètres du modèle (constante cinétique de dissolution, coefficient global de transfert de masse sol - fluide, fraction du biphényle précipité présente dans le sol) ont été estimés par ajustement sur les données expérimentales d'extraction
Carbon dioxide super critical extraction is applied to the remediation of soils contaminated by organic compounds. We have studied three aspects of the extraction process: 1) The calculation of solubility of organic compounds in super critical fluids. W e proposed a thermodynamic model which is based on the relations existing between the Helmholtz energy of pure components and the excess Helmholtz energy in a mixing process at constant packing fraction. The components may intervene in the equation of state of the mixture with varied equations of state. This model was applied to solid-fluid and liquid-fluid equilibria. A group contribution method was developed for hydrocarbon-carbon dioxide mixtures. 2) The adsorption equilibrium of biphenyl in soil in the presence of super critical carbon dioxide was studied experimentally and represented with the Bragg Williams lattice model. The adapted model allows adsorption calculation for a given set of temperature-pressure-fluid composition 3) For the kinetic study of the extraction, we used a soil artificially contaminated with biphenyl. In the soil, the pollutant is distributed between a precipitated phase and an adsorbed phase. Thus, the extraction model contains a dissolution kinetic term and a desorption kinetic term. The model parameters (the dissolution rate coefficient, the overall mass transfer coefficient between soil particles and the fluid and the fraction of precipitated biphenyl from the total quantity in soil) was estimated by fitting with experimental extraction data

Le rôle majeur des matières organiques dans les sols justifie que l'on s'intéresse à leur évolution face aux modifications des milieux naturels, en terme de gestion durable des ressources. La forêt landaise représente un massif forestier de première importance (830 000 ha de pin maritime), très productif du fait de pratiques de sylviculture intensives. Depuis les années 50, l'introduction de la maïsiculture est à l'origine d'un changement majeur d'occupation du sol. La superficie cultivée représente près de 15 p. Cent du massif. L'objectif de ce travail est d'évaluer l'influence de la coupe rase et de la mise en culture sur les propriétés organiques des sols. L'analyse de la variabilité spatiale des matières organiques des sols a l'échelle de la topo séquence puis de la parcelle a permis de déterminer les principaux facteurs (relief et nappe phréatique) contrôlant l'organisation des sols et des stocks de carbone, au sein de plusieurs pédopaysages landais. Ces connaissances ont permis d'établir plusieurs stratégies d'échantillonnage afin d'évaluer la dynamique spatio-temporelle des matières organiques. L'effet de la coupe rase sur les teneurs en carbone organique et la biomasse microbienne a été étudié par un suivi saisonnier in situ. L'impact de la mise en culture sur les stocks et la qualité des matières organiques (fractions granulométriques et densimétriques, lignine, sucres, biomasse microbienne) a été analyse par une approche chrono séquentielle a posteriori. Coupe rase et mise en culture se traduisent par une modification de la variabilité spatiale et une réduction des stocks de matières organiques des horizons superficiels. L'ensemble de ces résultats fournit un jeu d'indicateurs convergents pour prédire l'évolution quantitative et qualitative des matières organiques sous l'effet de ces changements d'usage. Ces indicateurs ont montré l'existence de processus de stabilisation physique et chimique des matières organiques dans les sols des landes de Gascogne.

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
The increase in the atmospheric CO2 concentration due to the combustion of the fossil resources and deforestation is the major environmental problems today. To store carbon and thus to decrease the concentration of CO2 emitted by human activity in the atmosphere, it would be necessary to be able to operate the carbon sinks located in the continental biosphere. The largest carbon surface reservoir of the continental biosphere is the soil, which stores 1500 Mt carbon. The potential of French soil to store carbon is currently being evaluated for the plowed horizon, i. E the first 30 cm. However, recent studies showed that a significant proportion of soil carbon is stored in horizons B and C. The precise role of soluble organic carbon or DOC (Dissolved Organic Carbon) in the stabilization and / or destabilization of carbon deep horizons is indispensable to adapt the methods of land management and cropping systems to increase the stock of carbon in soils. Despite abundant literature, studies on DOC are mainly limited to soils of forest ecosystems and especially in laboratory scale. The results were never confirmed on the ground. The overall objective of this thesis is to better define the proportion of soluble organic matter of different horizons of arable soil and indicate their main structural features. This work takes into account the importance of the mode of cultural practice and the impact of prolonged drought particularly in deep horizons. Different analytical techniques (spectrofluorimetry, chromatography size exclusion, pyrolysis GC / MS, 13C NMR) were used on waters collected at the lysimeter plates and porous candles but also HPO, TPH and HPI extracts, for characterizing the OM of deep horizons, while being based on existing work on surface water. The work showed that the OM of the deep horizons was characterized by low aromaticity, a lower molecular weight and by the presence of compound lignins types and terpenoids

L’érosion est connue comme étant la principale cause de la dégradation des sols. En Asie, l’érosion des terres sur fortes pentes est un problème environnemental majeur. Le transfert de sédiments par les fleuves atteint 16,6 t. Ha-1. An-1 et se situe au deuxième rang mondial. Les objectifs de ce travail de thèse sont : (1) de quantifier le transfert d’eau et de matières en relation avec l’érosion des sols sur un petit bassin versant agricole, situé en zone montagneuse tropicale (bassin versant expérimental de Dong Cao au Nord Vietnam) et (2) d’identifier les sources de sédiments exportés à l’exutoire de ce bassin versant. Dans ce travail, différentes échelles temporelles (de l’échelle de la crue à l’échelle annuelle et pluriannuelle) et spatiales (de l’échelle de la parcelle expérimentale à l’échelle du bassin versant) ont été suivies. L’étude hydrologique du bassin versant à l’échelle pluriannuelle met en évidence l’impact du changement d’usage des terres et du régime des précipitations sur l’exportation de sédiments. Les expérimentations menées sur des parcelles d’érosion de 1-5 m2 montrent que la mise en culture de fourrage comme Panicum maximum a un effet protecteur sur les sols et devrait contribuer à réduire l’ampleur de l’érosion et du ruissellement. Sur le bassin versant, le remplacement des cultures en manioc par la jachère, la plantation d’acacias ou la mise en culture de fourrage fait chuter l’érosion annuelle des sols de 30 t. Ha-1 (2001) à environ 1,5 t. Ha-1 (2005). L’exportation de sédiments à l’exutoire du bassin versant est caractérisée par un effet de seuil (R = 50 mm et IR30min = 90 mm. H-1) au-delà duquel l’érosion augmente très fortement. 70 % des pertes annuelles sont concernées par le dépassement de ce seuil. La décomposition géochimique des hydrogrammes de crue par la conductivité électrique de l’eau met en évidence la participation majoritaire d’eau préexistence (eaux de sols et de nappes) lors des crues. La contribution d’eau nouvelle (eau de pluie et écoulement hypodermique) ne devient prépondérante que pour les événements exceptionnels de très forte intensité. L’exportation de matières à l’exutoire du bassin versant est mieux corrélée avec la fraction d’eau nouvelle qu’avec le coefficient d’écoulement déterminé à partir de la partition ruissellement - infiltration des précipitations. Le transport de matières en suspension en régime de crue est caractérisé par un effet d’hystérésis avec, le plus fréquemment, un décalage entre le maximum de transport de matières en suspension et le débit de pointe qui reflètent la disponibilité spatiale des sédiments sur le bassin versant. L’érosion des sols les plus proches s’effectue en montée de crue avec un mélange d’eau nouvelle et d’eau préexistante. Au pic de crue, le maximum d’eau nouvelle est caractérisé par une charge solide moins élevée. En décrue, la charge solide reflète l’apport de sédiments provenant des zones les plus éloignées de l’exutoire du bassin versant. Le contraste de composition isotopique qui existe entre les matières organiques des sols cultivés dans la partie avale du bassin versant (enrichies en 13C) et celles de la partie amont (appauvries en 13C) permet de suivre qualitativement l’érosion des sols et de caractériser l’origine des sédiments exportés au cours de la crue

En France, l'incinération(avec ou sans récupération d'énergie)traite près de 50% des déchets ménagers. Le principal sous-produit (en poids)issu de l'incinération est le mâchefer. Le stockage dans des centres d'enfouissement technique ou la valorisation de ces mâchefers pose un problème écologique et économique aux industriels du déchet, mais également aux collectivités locales. Cette étude porte sur la caractérisation de la fraction organique des mâchefers ainsi que sur l'influence qu'elle peut avoir sur la caractérisation de la fraction organique des mâchefers ainsi que sur l'infleuce qu'elle peut avoir dans leur comportement à court et à long terme. La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) est utilisée pour une spéciation et une évaluation du carbone dans les résidus. Il s'agit d'une apporche globale originale permettant de metrre en évidence et de doser les différents typers de matériel carbonés présents dans les mâchefers : le carbone organique labile (COL) et et le carbone réfractaire (CR). La caractérisation et le dosage des principales familles organiques (alcanes, acides carboxyliques, hydrocarbures aromatiques polycycliques) ont été réalisées grâce à l'utilisation de divers procédés d'extraction (par solvant à chaud Soxhlet et par fluide supercritique SFE) et d'identification (chrmatographie gazeuse couplée à la spectrométrie de masse GC/MSD). Cette carctérisation fine de la fraction organique a permis d'évaluer le réservoir organique dispoinible et mobilisable à court et à long terme, et également de mettre en évidence la possiblilité de complexation de certains métaux lours avec les acides carboxyliques présents dans les mâchefers en quantité non négligeable. Par ailleurs, des tests d'écotoxicité réalisés sur les mâchefers étudiés apportent une nouvelle approche de la carctérisation du mâchefer. Il est difficile d'effectuer une corrélation directe entre les carctéristiques physico-chimiques du mâchefer (habituellement étudiées) et lerus réponses aux biotests. Par contre, il existerait une relation entre la teneur en acides carboxyliques et l'indice écotoxique de chacun des mâchefers
Ln France, about 50 % of municipal solid wastes are incinerated (with or without energy recuperation). The main solid residue from incineration process is bottom ash. Municipal Solid Waste Incineration (MSWI) bottom ash storage or valorisation poses an ecological and economic problem for industrials and local communities. This study is about characterisation of organic fraction present in MSWI bottom ash as well as its influence in short and long term behaviour of bottom ash. Differentia] Scanning Calorimetry (DSC) is applied to speciation and evaluation of carbon in MSWI residues. This innovative recognition approach highlights and quantifies different types of carboned materials in bottom ash: Labile Organic Carbon (LOG) and Refractory Carbon (RC). Characterisation and dosage of organic compounds (paraffins, carboxylic acids, polycyclic aromatic hydrocarbons) are realised with various extraction (traditional extraction (Soxhlet) and Supercritical Fluid Extraction (SFE)) and identification (Gas Chromatography coupled with mass spectrometer detector (GC-MSD)) methods. This fine characterisation of organic matter has permitted to evaluate the short and long term available and mobilisable organic reservoir, and also the complexation possibility of some metals with carboxylic acids generously present in bottom ash. Moreover, any ecotoxicity tests performed on studied residues gets a new approach of bottom ash characterisation. A direct correlation with bottom ash physico-chemical parameters (usually studied) and its biotests responses is not possible. In opposite, a relation with carboxylic acids content and ecotoxic indice bottom ash is highlight

Dans le contexte actuel du réchauffement climatique et de son amplification dans les régions nordiques, l'objectif principal de cette thèse est d'évaluer les facteurs pouvant influencer la dégradation de la matière organique (MO) contenue dans les tourbières à pergélisol. Dans ce but, nous avons étudié l'effet des paramètres, directement ou indirectement influencés par le changement climatique, sur la dégradation de la MO. Des études de terrains et des expérimentations ont été effectuées dans des zones à pergélisol discontinu de la Suède et de l'Est Sibérien, associées à des expériences en laboratoire utilisant des substrats de ces régions et du Nord-Est de l'Europe. Ces études ont eu pour but de déterminer l'influence des paramètres physico-chimiques suivant sur la dégradation de la MO: la température, la biomasse microbienne, l'origine de la MO, le type de végétation, l'hétérogénéité des plans d'eau, les cycles de gel-dégel (CGD), les conditions anoxiques et la profondeur des sols. L'originalité de ce travail réside dans la combinaison d'analyses (bio)géochimiques variées, utilisées à la fois lors des missions de terrain et en laboratoire, liant la microbiologie et la géochimie, pour comprendre la transformation de la MO dans les régions arctiques. Après une introduction générale présentant l'impact et la rétroaction positive que peut avoir le dégel du pergélisol sur le réchauffement climatique, le premier chapitre de cette thèse présente le contexte général du sujet d'étude, traitant de la MO et des problèmes actuels des régions arctiques face à ce réchauffement. Il contient aussi les techniques, analyses et méthodes utilisées durant cette thèse. Le second chapitre décrit les 3 sites d'étude et les caractéristiques générales des travaux réalisés sur le terrain, dont l'étude du comportement de la MO durant les cycles nycthéméraux. Le troisième chapitre traite de l'influence de l'origine de la MO et de l'hétérogénéité des plans d'eau sur la biodégradation de la MO. Le chapitre quatre s'intéresse aux effets des CGD subis par les eaux des tourbières durant les périodes de transition (début du printemps et fin de l'automne). Finalement, le cinquième chapitre traite d'expérimentations aérobies et anaérobies de dégradation de la MO. Les expérimentations aérobies traitent de l'effet de la température et des bactéries hétérotrophes sur la biodégradation, et les expérimentations anaérobies ont été effectuées pour déterminer le potentiel de production en gaz à effet de serre d'un profil de sol issu d'une tourbière. Parmi les résultats les plus importants de cette thèse, on retiendra que : i) durant la nuit les petits lacs thermokarstiques relarguent jusqu'à 3 fois plus de CO2 que durant la journée et que les grands lacs passent de puits à source de CO2 ; ii) le long d'un continuum hydrologique (des dépressions jusqu'aux rivières en passant par les lacs thermokarstiques), la vitesse de biodégradation de la MO diminue et la biodégradabilité des eaux augmente ; iii) les CGD fréquents durant les périodes de transition n'influencent pas la dégradation de la MO mais favorisent la complexation MO-métaux dans les eaux à pH neutres des grands lacs et rivières; iv) les températures de ces périodes (4°C environ) ont le même impact sur la biodégradation de la MO que celles observées en été (25°C) ; v) enfin, lors du dégel anaérobie du pergélisol, la biodégradation de la MO de ce dernier ne produit pas plus de CH4 ni de CO2 que celle de la couche active. Les études menées lors de cette thèse devraient préciser les effets, directs et/ou indirects, du changement climatique sur la dégradation de la MO dans les régions à pergélisol discontinu. De plus, l'étude du devenir du carbone contenu dans les sols et les eaux des tourbières ainsi que les émissions de CO2 et de CH4, permettra d'appréhender l'influence du changement climatique sur les interactions entre le carbone biodégradé de la pédo- et de l'hydrosphère pouvant être émis vers l'atmosphère
The anthropogenic emissions of carbon dioxide (CO2) into the atmosphere are held responsible for the current global warming experienced by the Earth. Given the amplified effect of warming in the northern regions, the main objective of this thesis is to assess the factors that could influence the organic matter (OM) degradation within a carbon-rich permafrost peatland. For this purpose, we studied the effect of biological and geochemical parameters, which are directly or indirectly influenced by climate change, on the degradation of OM. Field studies and experiments were carried out in discontinuous permafrost areas of Eastern Siberia and Sweden, along with laboratory experiments using substrates from these regions and from peatlands of NE Europe. Experiments were conducted as a function of temperature, bacterial biomass, OM origins, water bodies heterogeneity, vegetation type, freezing and thawing cycles, anoxic conditions and soil depths. The originality of this work consists in the combination of various (bio)geochemical analyses using both fieldwork and laboratory approaches linking the different systems controlling OM degradation in the natural environment (mainly microbiology and geochemistry). After an introduction dealing with possible positive feedback of OM degradation in northern peatlands on climate warming, the first chapter is dedicated to a general context giving an insight of the OM in the arctic region under climate change challenges and presenting all the techniques, analyses and methods employed for this thesis. The second chapter describes the three studied sites and the general fieldwork, which involved the study of OM behaviour during diel cycles. The third chapter tackles the origin of OM and the water bodies heterogeneity effect on the biodegradation of OM. The fourth chapter investigates the impact of freeze-thaw cycles of peatland water bodies on OM degradation during transitional periods, such as early spring and late autumn. Finally, the last chapter reports the result of aerobic and anaerobic experiments. The aerobic experiment tests the effect of temperature and heterotrophic bacteria on biodegradation, while the anaerobic experiment deals with the potential production of greenhouse gases from a soil profile collected in a peatland. The main results of this thesis highlight that i) during the night, small thermokarst lakes release up to three times more CO2 compared to day-time, and big lakes become a source of CO2 rather than a sink; ii) along a hydrological continuum, from supra-permafrost water to rivers through thermokarst lakes, the degradation rate of OM decreases and the biodegradability of waters increases; iii) recurrent freeze-thaw cycles during early spring and late autumn do not influence the degradation of carbon but favor the OM-metals complexes in neutral pH waters of large lakes and rivers; iv) temperatures during these transitional periods (4 °C) exhibit the same effect on biodegradation than the summer temperatures (25 °C); and v) when frozen peat thaws, it does not release a significantly different amount of CH4 and CO2 from biodegradation processes compared to the active layer. The studies carried out in this work bring an overview of the various direct and/or indirect effects of climate change on the OM transformation by biotic and abiotic factors in a discontinuous permafrost area. Furthermore, the study of carbon behaviour in wetlands soils and waters, as well as CO2 and CH4 emissions, may help to determine the influence of climate change on the interactions of biodegraded carbon from pedo- and hydrosphere with the atmosphere

Le carbone organique des sols (COS) joue un rôle majeur dans le maintien des propriétés des sols, et constitue un important réservoir de carbone sensible aux perturbations anthropiques dont les changements d'usage ou de gestion des terres. En Amazonie, la déforestation libère des gaz à effet de serre (GES) par le brûlis de la végétation mais les stocks de COS sont également susceptibles d'évoluer et de contribuer aux émissions de GES. Nous montrons que ces variations de stocks sont cependant mal comprises à l'échelle du biome, en raison de l'approche par chrono-séquence qui induit de nombreuses incertitudes et du manque de données sur la gestion des agrosystèmes implantés après déforestation. L'étude a été conduite sur un site agronomique diachronique en Guyane, déboisé sans brûlis et avec des restitutions de biomasse forestière au sol, sur lequel ont été implantés 3 systèmes de culture : une prairie et deux systèmes maïs/soja avec ou sans travail du sol. L'objectif a été de déterminer le devenir du carbone forestier et du COS des agrosystèmes. Les fluctuations des stocks ont été mesurées jusqu'à 5 ans après déforestation dans la couche 0-30 cm, un bilan est proposé pour la couche 0-100 cm à 5 ans. La décomposition des débris de bois, apportés au sol suite à la déforestation, a été étudiée via leur perte de masse et leur caractérisation par pyrolyse Rock-Eval. La répartition granulométrique du COS a été mesurée 4 ans après déforestation. L'isotopie δ13C a été utilisée dans le sol sous prairie pour distinguer le carbone d'origine prairiale. L'apport de carbone issu de la déforestation a entrainé une augmentation des stocks de COS, mais de courte durée car les débris de bois se sont rapidement décomposés et n'ont pas induit de stockage durable de COS. Cinq ans après déforestation les stocks de COS sous prairie sont similaires à ceux observés sous forêt, grâce à des apports de carbone importants par les racines, alors que sous cultures les stocks diminuent d'environ 18 %, sans que l'on ait distingué un effet du travail du sol. La décroissance du carbone forestier, qui concerne l'ensemble des fractions granulométriques du sol, a donc été compensée par les apports de carbone sous prairie, ce qui n'est pas le cas sous cultures annuelles. Le modèle RothC a pu être validé dans notre situation même s'il a surestimé légèrement les stocks sous cultures. Nos résultats, replacés dans le contexte amazonien montrent que les diminutions de COS observées ici sont moins importantes que pour l'ensemble des tropiques humides, probablement en raison de la gestion optimale du site et de la courte durée du temps d'observation
Soil organic carbon is a key component of soil quality, and represents a large part of the terrestrial carbon stock, sensitive to human perturbations including land-use change. In Amazonia, deforestation induces greenhouse gases (GHG) emissions due to vegetation burning, but SOC stocks also change, which can induce GHG emissions. We show that these changes are misunderstood at the biome scale, because of the chronosequence approach that induces uncertainties, and because of the lack of management data of the agrosystems established after deforestation. We studied here an agronomic trial with a diachronic approach in French Guiana, deforested with a fire-free method that returned large amount of forest organic matter. Three agrosystems were set up: a grassland and two annual crop systems (maize/soybean) with and without soil tillage. We aimed to measure the fate of forest carbon and of SOC in the agrosystems. SOC stocks fluctuations were assessed up to 5 years after deforestation in the layer 0-30 cm, and a comparison forest-agroecosystems in the layer 0-100 cm was done at 5 years. Decomposition of woody debris buried in the soil after deforestation was assessed by mass loss approach and Rock-Eval pyrolysis. SOC distribution in granulometric fractions was measured 4 years after deforestation. δ13C methods were used in the grassland soil to distinguish the carbon derived from forest or grassland. We found that carbon inputs from deforestation increased SOC stocks, but only at short-term because woody debris decomposition was fast and did not induce a mid-term SOC storage. Five years after deforestation SOC stocks in grassland are similar to the forest, thanks to carbon inputs from root activity. In the annual crops SOC stocks decrease of about 18 %, and no difference is found according to the soil tillage. The decay of forest soil carbon, which affected the whole granulometric fractions of SOC, is thus offset in grassland but not in annual crops. RothC model could be validated in our study, but slightly overestimated SOC stocks in annual crops. Replaced in the Amazonian context, our results showed that the SOC decrease here was lower than other studies across humid tropics. This can probably be explained by the optimal management of the agrosystems, and the short time lapse studied

Les systèmes agroforestiers stockent du carbone dans la biomasse des arbres. Cependant leur intérêt ne se limite pas à ce carbone stocké sous forme de bois. En effet, les arbres produisent de grandes quantités de litières, et apportent également du carbone dans les horizons profonds du sol par la mortalité et l’exsudation racinaire. Or, les sols agricoles, ayant de très faibles teneurs en matière organique, ont un potentiel de stockage en carbone bien plus important que les sols forestiers. A ce jour, il n’existe pratiquement pas de travaux permettant d’avoir une estimation de l’impact des arbres agroforestiers sur le carbone du sol. La plupart des études sont en effet menées sur le stockage de carbone dans la biomasse aérienne des arbres. Une étude a ainsi estimé qu’en climat tempéré et pour des densités comprises entre 50 et 100 arbres/ha, le stockage de carbone serait compris entre 1.5 et 4 tC/ha/an, ce qui est très important comparé au potentiel de stockage d’autres systèmes de culture. On se propose donc dans ce travail de contribuer significativement à la connaissance sur les possibilités de stockage de C dans les sols en agroforesterie. Tout d’abord, nous quantifierons les stocks de C dans les parcelles agroforestières et les comparerons aux témoins agricoles. Nous étudierons également l’hétérogénéité spatiale de ces stocks, sous la ligne d’arbres ou sous la culture intercalaire, et ce à différentes profondeurs. Dans un deuxième temps, nous étudierons les entrées de carbone au sol, notamment via la mortalité racinaire des arbres. Puis, nous étudierons les processus liés à la stabilisation de ce carbone dans les horizons profonds du sol. Enfin, nous chercherons à savoir si l’apport de carbone frais dans les horizons du sol ne pourrait pas entraîner une minéralisation d’une partie du carbone stable du sol, phénomène connu sous le nom du priming effect, et qui pourrait jouer un rôle non négligeable dans le bilan de carbone de ces systèmes. La modélisation sera utilisée afin d’estimer le stockage de carbone sur le long terme. L’étude sera menée dans un contexte de système de culture méditerranéen, sur un site expérimental d’exception. L’analyse mécaniste fournira le cadre conceptuel pour la compréhension de la dynamique du C dans d’autres systèmes agroforestiers à l’avenir
Agroforestry is a land use type where trees are associated with crops and/or animals within the same field. This agroecosystem could help mitigating climate change, and also contribute to its adaptation. The goal of this thesis was to evaluate the potential of soil organic carbon storage under agroforestry systems. This study was performped at the oldest experimental site in France, a trial supervised by INRA since 1995, but also at farmers' fields. Soil organic carbon stocks were compared between agroforestry and agricultural plots, down to 2 m soil depth. All organic inputs to the soil were quantified (tree roots, leaf litter, crop roots and residues). The stability of additionnal stored carbon was caracterised with soil organic matter fractionation, and soil incubations. A model of soil organic carbon dynamic was described in order to better undrestand this dynamic in agroforestry, especially in deep soil layers. This study revealed the interest and the potential of agroforestry systems in increasing soil organic carbon stocks, with accumulation rates of 0.09 to 0.46 t C ha -1 yr -1. It also reveals the role of tree rows in this storage, and the importance of carbon inputs from root mortality. However, it raises concerns about the stability of this storage

Du fait de son climat aride (70 mm de précipitations/an), la région de Coquimbo au Chili (30ª de lat. sud), concentre des contrastes extrêmes d'ordre environnemental comme sur le plan social avec la coexistence de trois types de milieux très contrastés : a) un secteur agricole irrigué, moderne et ouvert aux marchés internationaux ; b) un secteur irrigué d'usage traditionnel ; c) un secteur non irrigué qui comprend des surfaces marginales et érodées. Cette région aride et donc particulièrement sensible à toute forme d'activité, n'a encore fait l'objet d'aucune étude susceptible d'aider à y appréhender l'impact d'une utilisation des sols comme d'un éventuel changement climatique. Dans ce contexte nous avons réalisé un inventaire des sols de la région de Coquimbo dans des secteurs d'usages et d'état de conservation différents. Nous avons notamment entrepris une étude quantitative et qualitative de la Matière Organique (MO) et de sa répartition dans les profils. A cette fin, 82 profils (1m de profondeur) ont été échantillonnés selon un transect altitudinal océan-Cordillère. Les prélèvements ont été effectués tous les 10 cm et ont fait l'objet des analyses suivantes : granulométrie, mesure de la densité apparente et de la Capacité d'Echange Cationique (CEC), détermination des teneurs en Carbone Organique Total (COT) ainsi que des indices d'hydrogène (IH) et d'oxygène (IO) de la MO (pyrolyse Rock- Eval). Les résultats indiquent une décroissance très rapide des teneurs et de la qualité de la MO avec la profondeur. Cependant, de très fortes différences s'observent entre sols non cultivés et cultivés, les seconds s'avérant beaucoup plus riches en MO que les premiers. En revanche, cette différence ne parait pas s'accompagner de changements notables de qualité de la MO ce qui souligne une transformation rapide, d'une part importante de la MO, héritée des végétaux cultivés.

L'apport aux sols de matières organiques exogènes (MOEs) d'origine résiduaire issues d'activités agricoles, urbaines ou industrielles permet d'augmenter les teneurs en matière organique des sols (MOS) et d'améliorer leur fertilité. De plus ces apports de MOEs pourraient contribuer à la limitation des émissions nettes de gaz à effet de serre en stockant du C dans les sols. Le développement d'outils de prédiction est nécessaire pour une meilleure estimation du devenir à long terme des MOEs apportées. De plus, il est important de savoir sous quelles formes la matière organique (MO) des MOEs est incorporée dans la MO du sol, ceci conditionnant la pérennité des accumulations de C après apports répétés de MOEs. Cette étude vise à mieux comprendre et prédire la dynamique d'incorporation de la MO de matières organiques exogènes dans la matière organique du sol. Elle s'est déroulée en trois étapes : (i), le développement et l'amélioration de méthodes de caractérisation de laboratoire permettant d'estimer le devenir des MOEs dans le sol (ii) le paramétrage du modèle RothC pour simuler l'accumulation de C dans les sols suite à l'apport de MOEs et (iii) l'étude des changements de composition chimique de la MOS suite à des apports répétés de MOEs.
L'étude de la composition chimique de la fraction dite soluble du fractionnement biochimique Van Soest a révélé que la nature chimique de cette fraction de MO change lors du traitement par compostage des MOEs: elle est très riche en polysaccharides en début de compostage et s'enrichit en MO riche en composés azotés stabilisés au cours du compostage.
Le potentiel d'utilisation de la spectroscopie proche infra-rouge (SPIR) pour caractériser les MOEs et leur devenir dans le sol a été étudié. Des prédictions satisfaisantes ont été obtenues pour les teneurs en C et N des MOEs ainsi que pour les fractions biochimiques Van Soest des MOEs. L'indicateur de stabilité de la MO (ISMO), estimateur de la fraction résiduelle de la MO des MOEs à long terme dans les sols, a été prédit de manière satisfaisante.
La potentialité de stockage de C à long terme dans un sol soumis à des apports répétés de MOEs a été étudiée en utilisant des résultats de 4 essais au champ de moyenne et longue durées. les apports répétés de MOEs ont entrainé des augmentations significatives des stocks de C dans les sols qui ont pu être reproduites de façon satisfaisante avec le modèle RothC qui a été ainsi paramétrés pour pouvoir simuler des apports de MOEs de types divers.
L'étude des changements dans la composition de la MOS suite à ces apports répétés de MOEs dans l'essai Qualiagro a révélé une modification préférentielle de la fraction de MOS particulaire de taille > 50 µm, en particulier par un enrichissement en lignine. La composition de la fraction de taille 0-50 µm est également modifiée mais dans une moindre mesure et de façon moins directement liée à la composition des MOEs apportées.

Dans le contexte actuel où l'agriculture doit produire de façon durable, la gestion de l'azote doit être raisonnée de plus en plus finement pour atteindre des objectifs multiples de rendement et de qualité des produits récoltés mais aussi de respect de l'environnement. Ces objectifs ne peuvent être atteints qu'en pilotant la fertilisation azotée au plus près des besoins de la plante et en adaptant le système de culture en interculture afin de réduire les pertes d'azote nitrique et sous forme gazeuse. Pour cela, il convient de connaître et de prévoir précisément la dynamique saisonnière de la minéralisation de l'azote organique du sol in situ. L‘objectif de ce travail de thèse est double : (i) quantifier la dynamique de minéralisation nette in situ de l'azote organique du sol durant une année calendaire au champ, et (ii) expliquer et prédire cette minéralisation in situ pour une large gamme de pédoclimats et de systèmes de grande culture français. La minéralisation de l'azote in situ a été estimée en sol nu à l'aide de mesures régulières d'eau et d'azote minéral (0-120 cm) et du programme de calcul LIXIM basé sur un bilan dynamique journalier d'azote. Le concept de temps normalisé permettant de rendre compte des effets de la température et de l'humidité sur la minéralisation de l'azote a également été utilisé afin de normaliser la vitesse de minéralisation in situ en référence à des conditions constantes (vitesse potentielle normalisée). La validité de ce concept a été éprouvée pour une gamme étendue de températures et d'humidités à l'aide d'incubation de sol (conditions contrôlées ou in vitro). La fonction température de type exponentiel (Q10) utilisée initialement a été trouvée inopérante pour des températures supérieures à 25°C ; une fonction de type logistique a été ajustée pour une gamme de températures variant de 0 à 35 °C et différents sols. La fonction de réponse de la minéralisation à l'humidité s'est avérée variable entre sols, comme suggéré par l'analyse bibliographique ; la fonction humidité initialement utilisée dans le programme LIXIM a été conservée après analyse de sensibilité ayant montré un effet mineur sur nos expérimentations in situ. Les mesures in vitro ont confirmé qu'il n'y a pas d'interaction significative entre température et humidité, comme sous-tendu par le concept de jours normalisés. Deux expérimentations localisées dans le Sud de la France (Toulouse, Drôme) ont permis de montrer, qu'en condition de champ, la dénitrification pouvait représenter une forte perte d'azote quand les apports d'eau sont reçus avec une forte intensité par le sol en été, suite à l'irrigation ou aux pluies d'orage. Une estimation précise de la quantité d'azote minéralisé in situ par bilan dynamique d'eau et d'azote dans ces situations requiert donc une mesure ou une estimation précise de l'azote minéral perdu par dénitrification ; or ce phénomène est trop souvent considéré comme négligeable dans les systèmes de grande culture français, ce qui pourrait ne pas être le cas si l'irrigation par aspersion est pratiquée. Le concept de vitesse potentielle normalisée de minéralisation, correspondant à une valeur unique de minéralisation basée sur le temps normalisé, a été globalement validé sur un réseau expérimental de 55 parcelles de grande culture réparties sur l'ensemble du territoire français. Différents méthodes et modèles statistiques ont été testés pour décrire la variabilité observée de la minéralisation potentielle de l'azote in situ. Ainsi, la vitesse de minéralisation in situ de l'azote a été ajustée par RLM (Régression Linéaire Multiple) et PLS (Partial Least Squares regression). Les formalismes couramment utilisés, correspondant à l'effet de variables quantitatives comme la teneur en argile, en CaCO3 et la quantité d'azote organique, ainsi que la vitesse de minéralisation de l'azote mesurée in vitro n'ont pas permis d'expliquer ni de prédire, avec une bonne précision, la vitesse potentielle de minéralisation de l'azote in situ. Par contre, l'information apportée par des variables qualitatives relatives au système de culture (type de précédent cultural, nature de la rotation, apport régulier ou non de matières organiques exogènes) améliore significativement l'explication de la variabilité et les qualités prédictives des modèles statistiques sélectionnés. Les caractéristiques biologiques du sol, comme le carbone de la biomasse microbienne ou la vitesse de minéralisation in vitro du carbone, ont aussi permis d'améliorer la prédiction de la vitesse de minéralisation de l'azote in situ, confirmant le lien étroit entre minéralisation du carbone et de l'azote organique du sol. Ces variables sont cependant plus difficiles d'accès que les caractéristiques physicochimiques et du système de culture des parcelles. Leur utilisation semble donc plus adaptée pour des modèles de type « recherche » que pour des outils d'aide à la décision nécessitant un paramétrage simple et robuste et des variables d'entrée faciles à acquérir.

Comprendre le devenir du carbone organique stable du sol (COS) dans un environnement globalement plus chaud est un défi majeur pour prévoir sur le long terme la concentration en CO2 atmosphérique. Pour cela il apparaît nécessaire de mieux comprendre ce qu'est ce COS stable à l'échelle pluri-décennale et comment sa cinétique de minéralisation est modulée par la température. C'est avec cette ambition que cette thèse se propose (1) d'étudier la sensibilité à la température de la minéralisation du COS stable; (2) d'étudier la réponse à la température de la communauté microbienne qui minéralise le COS et (3) d'établir un lien entre âge et décomposabilité du COSLes échantillons issus de 4 essais de jachère nue ont été utilisés dans cette thèse. Des échantillons prélevés en début de chacun de ces essais et après plusieurs décennies de jachère nue ont été incubés à différentes températures pendant 427 jours. La respiration de ces échantillons a été suivie régulièrement. En fin d'incubation, la structure des communautés microbiennes a été déterminée par pyroséquençage. D'autre part, une datation du COS contenu dans les échantillons de la chrono-séquence de l'essai de jachère nue de Versailles a été réalisée.Les résultats obtenus mettent en évidence une relation générale entre vitesse de décomposition du carbone et sensibilité à la température. Ces travaux ont également mis en lumière une plus grande diversité et une plus grande sensibilité à la température des communautés microbiennes associées au carbone stable. Enfin, cette thèse met en lumière les difficultés rencontrées lors de l'utilisation de la technique de datation de la matière organique du sol par le 14C
To understand the fate of stable soil organic carbon (SOC) in a warmer world is a major challenge to be able to predict future atmospheric CO2 concentrations. To do so, it is of prime importance to understand what the stable SOC is exactly and how its mineralization rate is modulated by temperature. This thesis proposed to study (1) the temperature sensitivity of stable SOC mineralization; (2) the response of soil microbial communities to temperature and (3) to establish a link between SOC decomposability and its age. Soil samples from four long term bare fallow experiments were used for work. We incubated soils sampled at the beggining of each experiment and after several decades of bare fallow at different temperatures for 427 days and we regularly monitored soil respiration. At the end of the incubation, soil microbial communities were assessed using pyrosequencing techniques. Finally, we determined the age of soil organic carbon by radiocarbon dating in soil samples from the chrono-sequence located at Versailles, France. The results obtained brought evidence for a general relationship between the mineralization rate of soil organic carbon and its temperature sensitivity. We also found that microbial communities linked to stable organic carbon are more diverse but also more sensitive to a temperature increase. Some bacterial phyla were particularly impacted by the temperature increase and the organic resource rarefaction. Finally, this thesis highlighted the difficulties met with the radiocarbon dating technique

Le radiocarbone (14C) et le tritium (3H) sont libérés dans l'environnement de manière naturelle et par les activités nucléaires. Les rejets devant perdurer pendant les prochaines décennies, il est primordial de prévoir leur devenir et leur temps de résidence dans les sols. L'objectif de cette thèse est de proposer une prévision quantitative et une modélisation simple du devenir de 14C et 3H dans les matières organiques du sol (MOS). L'originalité de ce travail est double: nous faisons l'hypothèse que l'incorporation et le devenir des atomes d'hydrogène non-échangeable (HNE) dans le sol sont couplés à la dynamique du carbone; l'approche choisie est le traçage naturel ou artificiel par les isotopes stables 13C et 2H.A travers le traçage naturel par le 13C in situ, nous avons quantifié le carbone récemment incorporé par la végétation sur quelques décennies. Nous avons alors adapté le modèle RothC à la dynamique du C profond des sols. Cela nous a permis de prévoir que 10% du C persisteront pendant plusieurs siècles dans les couches profondes. Les expériences croisées d'incubation de composés marqués en 13C et 2H nous a permis de montrer que l’activité microbienne est le moteur de l’incorporation d’hydrogène de l’eau dans les MOS et nous a permis d'établir la stœchiométrie CH des biotransformations. Ces expérimentations ont permis de proposer un modèle de la dynamique couplée de C et H des MOS à court et moyen terme (décennies). Une méta-analyse des corrélations entre les teneurs en 13C et 14C de sols mondiaux nous a permis de démontrer que l'enrichissement en 13C des MOS peut être expliqué en totalité par le rapport 13C/12C de la végétation dont elles sont issues
Radiocarbon (14C) and tritium (3H) are naturally released into the environment but also through nuclear activities. The releases are expected to persist for the next decades, it is important to predict their fate and their residence time in soils. The objective of this thesis is to propose a quantitative prediction and a simple modeling of the fate of 14C and 3H in soil organic matter (SOM). The originality of this work is twofold: first, we hypothesize that the incorporation and fate of NEH atoms in the soil are coupled to the carbon dynamics. Second, we chose to trace carbon and hydrogen by natural or artificial 13C and 2H tracing.Through natural in situ 13C tracing, we quantified the carbon recently incorporated by vegetation in few decades. Deep horizons contain a large part of this carbon (typically 20 to 30%). We adapted the RothC model to the deep soil C dynamics. This allowed us to predict that 10% of C will persist for several centuries in the deeper layers. The labelling experiments showed that the microbial activity is driving the incorporation of hydrogen from water into SOM, and allowed us to establish the CH stoichiometry of biotransformations. These experiments were a mean to propose a model of the coupled C and H dynamics of the SOM in the short and medium term (decades). The results of this thesis contribute as well to the improvement of the interpretation of natural abundances in 13C and 2H stable isotopes. A meta-analysis of the correlations between the 13C and 14C concentrations of global soils has demonstrated that the 13C enrichment of deep organic matter can be fully explained by the 13C/12C ratio of the vegetation from which they are derived

La production de biochars et hydrochars permet de former des amendements enrichis en carbone aromatique, potentiellement plus récalcitrant contre les dégradations dans le sol, tout en produisant massivement des énergies renouvelables. Ces amendements ont pour objectif d’augmenter la quantité de matières organiques des sols (MOS), ainsi que leur fertilité. Néanmoins, due à la diversité des biomasses pouvant être utilisé et des procédés de production, des incompréhensions existent sur le potentiel de ces matériaux à stocker du C dans le sol, à court et à long terme. De plus, des méthodes permettant d’évaluer rapidement la stabilité à long terme de ces matériaux restent à mettre au point, afin de permettre aux utilisateurs de statuer de la qualité de ces nouveaux amendements. Ces travaux ont consisté à évaluer la stabilité de biochars et hydrochars, biologiquement par des incubations de sols, et chimiquement par des oxydations à l’acide dichromate. Les biochars ont montré un haut niveau de stabilité biologique et chimique, permettant de stocker une quantité importante de carbone à l’échelle du siècle. De façon contrastée, les hydrochars se sont caractérisés par une stabilité beaucoup plus faible que les biochars, ne permettant probablement pas de séquestrer massivement du carbone au-delà de la décennie. L’hydrochar a induit un priming effect positif (stimulation), alors que le biochar a induit un priming effect négatif (protection). L’altération physique des deux matériaux a conduit à une augmentation de la stabilité et à une diminution du priming effect, mettant en lumière l’importance des paramètres environnementaux dans les stratégies de séquestration de carbone du sol. Les sols d’anciennes charbonnières ont été utilisés comme modèle d’étude à long terme de l’effet d’un apport de biochar après plusieurs siècles. Leur analyse a mis en évidence que l’apport de biochar améliore durablement les propriétés physicochimiques du sol, telle que la teneur en argile, la capacité d’échange cationique (CEC), la quantité de carbone soluble, et les teneurs en azote et phosphore. Toutefois, après plusieurs siècles d’un amendement de biochar, les communautés microbiennes ne présentaient pas d’adaptation spécifique à la dégradation d’un nouvel apport de biochar. Dans ce modèle, l’apport de résidus de plante a entrainé un priming effect négatif. Ainsi, l’apport de biochar, en générant des conditions particulières, permet le maintient de communautés de microorganismes avec la capacité de réorienter leur métabolisme, afin de dégrader spécifiquement de nouveaux substrats plus facilement minéralisables. D’autres travaux seront nécessaires afin d’évaluer la stabilité des biochars dans le système sol-plante
Biochars and hydrochars production can form amendments enriched in aromatic carbon, potentially recalcitrant against microbial degradation, while massively producing renewable energy. These amendments are aimed to increase soil organic matter (SOM) quantity, and soil fertility. However, due to the diversity of their feedstock and production processes, misunderstandings exist on the potential of these materials to store C in soil at short and long term. In addition, methods to rapidly evaluate the long-term stability of these materials remain to be developed, in order to allow users to determine the quality of these new amendments. This work was consisted for assessing the stability of biochar and hydrochars, biologically by soil incubations, and chemically by oxidation with acid dichromate. The biochar showed a high level of biological and chemical stability, allowing to storage a large amount of carbon throughout the century. In opposite, the hydrochars might not allow sequestering massively carbon beyond the decade, due to its lower biological and chemical stability. The hydrochars induced a positive priming effect (stimulation) while biochar induced a negative priming effect (protection). Physical weathering of both materials led to an increase of stability and a decrease of the priming effect, highlighting the importance of environmental factors in evaluation of strategies for sequestering carbon. Charcoal kiln soils were used as a model for long-term study of the input of biochar in soil after several centuries. Their analysis showed that the contribution of biochar sustainably improves the physicochemical properties of the soil, such as clay content, cation exchange capacity (CEC), amount of nitrogen, phosphorus, and soluble carbon. However, after several centuries of biochar amendment, microbial communities showed no specific adaptation to the degradation of a new biochar input. In this soil model, the input of plant residues resulted in a negative priming effect. Thus, the contribution of biochar in generating specific conditions, allows the maintenance of microbial communities with the ability to switch of substrates, for a new source of substrates more easily degradable. Further works are needed to assess the stability of biochar in soil-plant system

Depuis quelques années, les racines suscitent un nouvel intérêt dans les problématiques environnementales liées à la dynamique du carbone dans les agro-écosystèmes, en raison notamment de leur contribution, à la mort ou à la récolte de la plante, au stockage du C des sols. Pour mieux comprendre le rôle de la qualité chimique des racines sur le processus de décomposition, nous avons tiré profit de la variabilité génétique de la composante pariétale des cellules de maïs, permettant de travailler sur une gamme de composition chimique généralement impossible à obtenir sur un même organe d’une même espèce végétale. Notre étude a porté sur seize racines de variétés hybrides de maïs ainsi que celles de maïs mutants brown-midrib, dont les parties aériennes ont été caractérisées dans le cadre d’études sur la digestibilité des fourrages. Les variations de la composition chimique des racines trouvées ont porté principalement sur la teneur et la composition des polymères pariétaux (polysaccharides et lignines). Elles se sont traduites par des cinétiques bien différenciées de minéralisation du C au cours de leur décomposition dans le sol. L’analyse approfondie de la qualité chimique des 16 racines et le suivi approfondi de son évolution au cours de la décomposition pour 4 génotypes contrastés ont montré le rôle du C soluble sur le court terme, de la fraction lignine sur le long terme, et ont souligné le rôle de l’organisation des parois cellulaires sur la décomposition. .
Since several years, plant roots aroused a new interest due to the environmental concern of their C input and storage in soils after decomposition subsequent to plant death or harvest. To better understand the role of the chemical quality of roots on their decomposition in soils and associated C dynamics, sixteen maize roots of hybrids and of brown-midrib mutants were used. These genotypes were earlier characterized by variations in the cell wall quality of above ground organs with respect to forage digestibility. The variations of root chemical quality were observed mainly on the cell wall polymers content and composition (polysaccharides and lignin). They translated into large differences in the kinetics of C mineralization during decomposition. The characterization of initial cell wall quality of the 16 roots together with the detailed study of the changes in cell wall quality during decomposition for 4 contrasted genotypes evidenced the role of soluble C on the short term, lignin fraction of the longer term, and the role of the organization of the cell walls in decomposition. .

Les stocks des éléments dans les sols, et en particulier ceux du carbone, sont en constante évolution sous l’effet de facteurs naturels (climat, végétation, teneurs en argiles, etc.) et anthropiques (usages des sols, etc.). Notre objectif est donc, (i) de mieux comprendre les relations entre type de sol, système de culture et quantité de carbone stockée, (ii) d’étudier les conséquences des changements d’usage et de gestion des terres sur les formes de matière organique dans les sols et (iii) de préciser le rôle de la matière organique sur les propriétés physiques des sols.Des situations agro-pédologiques représentatives des trois grands modèles minéralogiques des sols tropicaux (Sols à allophanes (argiles non cristallisées), Sols à argiles 1/1 et Sols à argiles 2/1) et présentant des systèmes culturaux de différents niveaux d’intensification (monocultures intensives destinées à l’exportation, systèmes paysans faiblement intensifiés, etc.) ont ainsi été sélectionnées sur les sols de Martinique. Par ailleurs, afin de limiter les effets des usages antérieurs des parcelles, nous avons généralement choisi des situations culturales âgées au minimum de 3 ans.L’analyse des stocks de carbone des différentes parcelles fait apparaître des comportements différents : dans les sols à allophanes, il y a un effet de la minéralogie sur la stabilisation des matières organiques ; dans les sols à argiles cristallisées, il existe une corrélation entre la teneur en carbone (ou le stock organique) et la texture (ou teneur en éléments fins), aussi bien pour les situations non cultivées que pour les situations sous cultures. L’amplitude des variations (diminution) des stocks en carbone observées sous l’effet de différents modes de gestion des sols, dépend elle aussi de la texture : dans les sols sableux, la potentialité de séquestration du carbone est faible ou nulle, en revanche, les potentialités de stockage du carbone sont plus fortes dans les sols argileux.L’estimation des stocks totaux de carbone à l’échelle de la Martinique, pour un mètre de profondeur et pour une situation moyenne entre les cartes d’usage des terres de 1969/1970 et 1979/1980, s’élèvent à 11,859 Mt de C calculés pour 95,8% de la surface.La distribution de la matière organique du sol varie avec la texture du sol : dans les sols sableux, à faibles teneurs en matière organique, les matières organiques sont principalement associées aux fractions sableuses ; dans les sols argileux, plus riches en matières organiques, 50 à 60 % de la matière organique sont associées à la fraction argileuse. De même, la dynamique de la matière organique dépend également de la texture du sol : dans les sols sableux, les variations des stocks organiques sont essentiellement dues à la perte ou à l’accumulation en carbone de la fraction sableuse ; dans les sols argileux, la fraction argileuse participe de manière prépondérante aux variations des stocks organiques de ces sols lors de leur mise en culture ou en prairie ; les sols sablo-argileux ont un comportement intermédiaire entre ces deux pôles.La stabilité structurale varie avec la minéralogie. Les andosols (ou ALL) présentent un haut degré d’agrégation et de stabilité, du à la présence d’allophanes et à leur association particulière avec les composés organiques. Dans les sols à argiles cristallisées, la stabilité de l’agrégation est plus élevée dans les sols à argiles 1/1 (ou LAC) ; les valeurs les plus faibles sont généralement observées dans les parcelles sur sols à argiles 2/1 (ou HAC). En outre, la mise en culture se traduit généralement par une diminution de la stabilité de l’agrégation.L’intensification des cultures (labours fréquents, faibles restitutions de matière organique au sol, etc.) accentue la perte de la stabilité de l’agrégation provoquée par la mise en culture, en particulier dans les parcelles sur sols à argiles 2/1 (ou HAC)
Soils elements stocks, and particularly those of carbon, are in constant evolution under natural factors effect (climate, vegetation, clays content, etc) and anthropic factors effect (soils uses, etc). Our objective is thus, (i) to better understand the relations between soil, farming system and stored carbon quantity, (ii) to study the consequences of soils uses changes and of soils managements changes on organic matter shapes in soil and (iii) to specify organic matter role on soil properties physics.Representative agri-pedological situations of the three great mineralogical models of tropical soils (allophonic soils (not crystallized clays), 1:1 clay soils and 2:1 clay soils) and presenting agricultural systems of various levels of intensification (intensive monocultures intended for export, slightly intensified farming systems, etc) were thus selected in the soils of Martinique. In addition, to limit the effects of their former uses, we generally chose to the minimum 3 years old farming situations.The analysis of the various lands carbon stocks reveals different behaviors: in allophonic soils, a correlation exists between carbon content (or organic stock) and texture (or fine elements content), as well for not cultivated as for cultivated situations. Variations ranges (reduction) of carbon stocks observed under various management soils systems effect, also depends on texture: in sandy soils, carbon sequestration potentiality is low or null, on the other hand, carbon storage potentialities are higher in clay soils.The estimation of total carbon stocks on the scale of Martinique, for one meter of depth and for and average situation between the use soils charts of 1969/70 and 1979/80, rises to 11,859 Mt of C calculated for 95,8% of the surface.Soil organic matter distribution varies with soil texture: in sandy soils, with low contents of organic matter, organics matters are mainly associated with the sandy fractions; in clay soils, richer in organic matters, 50 to 60% of the organic matters are associated with the argillaceous fraction. In the same way, the organic matter dynamics also depends on soil texture: in sandy soils, organic stocks variations are primarily due to carbon loss or accumulation of the sandy fraction; in clay soils, the argillaceous fraction takes part in a dominating way in organic stocks variations of these soils at the time of their setting in culture or meadow; the sand-clay soils have an intermediate behavior between these two poles.Structural stability varies with mineralogy. Andosols (or ALL) present a high degree of aggregation and stability, due to the presence of allophones and their particular association with the organics compounds. In crystallized clay soils, aggregation stability is higher in 1:1 clay soils (or LAC); the lowest values are generally observed in the lands on 2:1 clay soils (or HAC). Moreover, culture setting generally results in aggregation stability reduction.Cultures intensification (frequent ploughings, low organic matter restitutions to the soil, etc) accentuates aggregation stability loss caused by culture setting, particularly in lands on 2:1 clay soils (or HAC)

Dans le cadre des sols limoneux des plateaux de Haute-Normandie, ce travail vise à répondre à deux hypothèses : (H1) la biodiversité et les MO du sol sont influencées par les modifications environnementales induites par les gestions agricole et forestière et (H2) les assemblages de macro-détritivores influencent la dynamique de la MO du sol. La relation a été étudiée à l’échelle de la parcelle ainsi que dans des microcosmes réalisés au laboratoire. Dans les sols forestiers, les résultats empiriques ne permettent pas d’établir un lien entre diversité des macro-détritivores et stocks de C, une relation apparaît toutefois avec certaines fractions des horizons holorganiques. Les résultats expérimentaux permettent de classer les macro-détritivores en groupes distincts à partir de leur effets spécifiques sur la biodégradation des feuilles. De plus, la biodégradation est davantage liée à la diversité fonctionnelle qu’à la diversité spécifique. Dans les sols agricoles, les études au champ ne permettent pas de mettre en évidence un lien net entre la diversité spécifique des lombriciens et les stocks de C ou la stabilité structurale. En conditions contrôlées, les effets des vers de terre sur le dégagement de C-CO2, la teneur en MO et la stabilité structurale des macro-agrégats dépendent de l’espèce impliquée et du taux de MO du sol. De plus, dans un sol pauvre en MO, l’augmentation du nombre d’espèces lombriciennes stabilise la minéralisation du C et augmente la stabilité structurale et la teneur en MO des agrégats. D’une façon générale, les résultats empiriques montrent que la richesse spécifique des macro-détritivores est plus influencée par le type d’occupation du sol que par la dynamique des systèmes, réfutant ainsi en partie l’hypothèse H1. D’autre part, les stocks de C dans les sols ne varient pas avec l’âge du peuplement de l’hêtre alors qu’ils augmentent avec l’âge des prairies, réfutant ainsi en partie l’hypothèse H1. De plus, les résultats des expérimentations en microcosmes permettent de classer les espèces en fonction de leurs effets sur la dynamique de la MO. En outre, la dynamique de la MO est modifiée lorsque la diversité des macro-détritivores change, confirmant donc l’hypothèse H2
Two hypothesis were tested in loamy soils located in Haute-Normandie (France) : firstly (H1) macro-detritivore diversity and soil OM are influenced by agricultural and silvicultural managements and secondly (H2) macro-detritivore assemblages influence soil OM dynamics. Relationships were investigated at stand scale and in laboratory microcosms. In forest soils, no relationship between macro-detritivore diversity and C stocks appeared from these empirical results, it arose that macro-detritivore diversity and some holorganic fractions are linked. Results from experimental manipulations show that macro-detritivore effects on beech leaf biodegradation can be split into distinct effects groups. Furthermore, functional diversity, assessed through morphological dissimilarity, rather than species diversity better explains assemblage performances. In agricultural soils, no link clearly appears between these parameters. Regarding laboratory experiments results, eathworm effects on C-CO2 release and soil aggregate OM content and stability depend on species identity and initial soil OM. Furthermore, in low OM soil, increasing species diversity stabilizes C mineralisation and but led to an increase of both aggregate OM content and stability. In conclusion, field results show that macro-detritivore species diversity is driven by soil occupancy rather by system dynamics, thus refuting (H1) hypothesis. Furthermore, soil C stock do not vary during forest rotation while it increase with pasture age, refuting and validating the (H1) hypothesis, respectively. On the other hand, microcosm experiments show that macro-detritivores diversity influences soil OM dynamics, validating (H2) hypothesis

Cette thèse est une contribution à la Cartographie Numérique des Sols (CNS) sur de vastes espaces. Dans le Chapitre 1, je discute des principaux facteurs à l’origine de l’émergence et du développement de la CNS et j’en retrace brièvement l’historique. Dans le Chapitre 2, je réalise une revue générale de la CNS sur de vastes espaces en me fondant sur 160 articles publiés de 2003 à mi-2019. J’y synthétise et discute les principales avancées et défis pour la communauté de la CNS. Je me focalise ensuite sur le carbone organique des sols (COS) en raison de son importance fondamentale pour les services écosystémiques et le cycle global du carbone. Dans le Chapitre 3, je montre comment améliorer une carte nationale du COS en agrégeant différentes cartes de COS et je donne des des pistes sur la façon de tirer parti deprédictions globales pour les pays disposant de peu de données, en utilisant une stratégie d’échantillonnage peu coûteuse et efficace.Ensuite, dans les Chapitres 4 et 5, je me concentre sur le domaine de validité de fonctions de pédotranfert utilisées pour la prédiction de la densité apparente et je développe une approche nouvelle pour traiter l’épaisseur des sols en France. J’y propose également des stratégies efficientes pour améliorer la précision de leurs prédictions. Je passe ensuite de la CNS à la cartographie de fonctions des sols en prenant comme exemple la cartographie du potentiel de séquestation (Chapitre 6) et de stockage (Chapitre 7) en COS. Ces chapitres contribuent à améliorer de nombreux aspects concernant la CNS et son application au programme Glob
This thesis is a contribution to Digital Soil Mapping (DSM) at broad scale, with applications on the French mainland territory. In Chapter 1, I discussed the main drivers for the rise and development of DSM and gave a brief history about DSM. In Chapter 2, I made a general review about broad-scale DSM by reviewing 160 selected articles from 2003 to mid-2019. I synthetized and discussed the main achievements and challenges for the DSM community. Then I decided to focus on soil organic carbon (SOC) because of its main importance for ecosystem services and global carbon cycle. In Chapter 3, I showed how to improve a national SOC map by merging various SOC maps and provided inputs on how to take advantage of global predictions in ‘data-poor’ countries using a low cost and efficient sampling strategy. Then in Chapters 4 and 5, I focused onthe validity domain of pedotransfer functions used for bulk density predictions and on developing a novel approach to deal with soil thickness prediction over France. I also proposed efficient sampling strategies to improve the accuracy of their predictions. I moved from DSM to Digital Soil Assessment (DSA), exemplified by SOC sequestration potential in Chapter 6 and SOC storage potentials in Chapter 7. They contribute to improving some aspects related to DSM and GlobalSoilMap. In Chapter 8, I finished this thesis by discussing the most important findings of my work and relating them to main challenges of Pedometrics. I outlined the inputs that my work provided to reaching these challenges and highlighted the remaining issues to be solved in

L’objectif de cette étude était d’évaluer les effets à long terme (28 ans) de huit itinéraires agronomiques sur les stocks de carbone organique du sol (COS) et d’azote (N) du sol, et leur répartition dans les fractions de la matière organique (MOS) par un fractionnement granulo-densimétrique (fraction légère [MOL] et fractions lourdes > 53, 53-20, 20-2 et < 2 µm) à deux profondeurs(0-10, 10-30 cm). Le projet, établi en 1989 à Normandin (Québec), consiste en un dispositif en tiroirs à trois facteurs combinant la rotation (monoculture d’orge ou rotation orge grainée-prairie-prairie), le travail du sol (labour ou chisel) et la source fertilisante (engrais minéral ou lisier de bovin). Les résultats ont démontré que les effets de la source fertilisante et du travail de sol sur les stocks de COS et N diffèrent selon la rotation établie. Dans la monoculture d’orge, le chisel a favorisé une accumulation de N en surface alors que l’enfouissement des résidus de cultures par le labour a entrainé des gains de COS et de N en profondeur à la fois dans la fraction légère ainsi que dans les fractions lourdes et fines. Toujours dans la monoculture d’orge, le lisier a enrichi le sol en N dans les10 premiers cm seulement, particulièrement dans les fractions lourdes > 53, 2-20 et < 2 µm. Les mêmes tendances ont été observées dans la rotation orge-prairies, mais les écarts n’étaient pas significatifs, probablement parce que le sol sous prairie était déjà très riche en MOS. À long terme, les itinéraires à prédominance de prairies représentent des systèmes capables d’atteindre de hauts niveaux de MOS, sans égal aux itinéraires composés strictement de cultures annuelles. De ce fait, l’absence d’augmentation significative du COS et du N selon la source fertilisante dans la rotation orge-prairies suggère que l’accumulation de MOS dans le sol soit sujette à saturation.

L'objectif de ce travail a ete de quantifier les transformations couplees de c et n dans un sol, apres incorporation de paille de ble, en absence de plante, a l'echelle d'une annee. Les deux traitements compares ont consiste en l'apport ou non d'une paille de ble doublement marquee (13c 15n). L'evolution des quantites de 13c-paille dans le sol a ete decrite par un modele a deux compartiments, chacun se decomposant selon une cinetique du premier ordre. Le tracage isotopique associe au fractionnement granulometrique a permis de suivre la dynamique des transferts du 13c et du 15n de la paille aux differentes fractions granulometriques du sol. Apres une annee, 23 % du 13c apporte a ete retrouve dans le sol, dont 14 % dans la fraction inferieure a 50 micrometres. La quantite de c et n-biomasse a augmente significativement avec l'apport de paille. Cependant, la quantite de c et n derive de la paille dans cette biomasse n'a represente que 4. 5 et 18. 1 % de c et n apporte, respectivement. La mesure de mineralisation et l'organisation brutes par tracage isotopique 15n, indique que des quantites importantes d'azote sont mises en jeu lors de la decomposition du carbone de la paille par les micro-organismes heterotrophes du sol. Cet effet de la paille sur les flux d'azote n'est plus perceptible un an apres son incorporation au sol et ceci est en accord avec les observations faites sur l'evolution de la biomasse microbienne et du c residuel dans le sol. Ce travail constitue une base de donnees permettant de tester les modeles de biotransformations du c et n. Une premiere comparaison entre valeurs mesurees et simulees pour le c mineralise et les flux bruts d'azote a ete realisee avec le modele cantis developpe par neel (1996).

La matière organique des sols (MOS) est un réservoir de carbone majeur dont la moitié se situe dans les horizons profonds du sol. A ce titre, la gestion des stocks de carbone organique (CO) du sol et en particulier ceux des horizons profonds du sol pourrait permettre de réguler les excès actuels de carbone dans l’atmosphère. Afin de mieux comprendre les processus de stabilisation des MOS dans le sol, la stabilisation par protection physique dans les agrégats et les nodules ferro-manganiques ainsi que la stabilisation par adsorption, ont été étudiées dans les deux premiers mètres d’un Cambisol riche en oxyde de fer et d’un Luvisol. Dans les deux sols, nos résultats confirment l’importance des horizons profonds en termes de stock et de stabilisation du COS, et montrent que l’essentiel du COS est associé aux fractions argileuses <2µm dont une grande partie constitue les micro-agrégats <20µm. Dans le Luvisol la quantité de CO associée aux micro-agrégats est toujours supérieure à la quantité de CO adsorbée. Dans le Cambisol, la situation similaire en surface s’inverse en profondeur où 78% de la variabilité du CO est expliquée par les teneurs en oxydes de fer et d’aluminium amorphes, suggérant qu’en profondeur l’essentiel des MOS soit adsorbé aux oxydes. Dans le Cambisol, 15% du CO sont physiquement stabilisés par occlusion dans les nombreux nodules ferro-manganiques du profil. Les nodules >2mm étant systématiquement exclus des évaluation des stocks de COS des sols où ils peuvent pourtant être nombreux, ces résultats suggèrent une sous estimation globale des stocks de CO des sols. Finalement ce travail montre que la hiérarchie des processus de stabilisation des MOS varie en fonction du type de sol et des horizons.