Origine des émissions de gaz à effet de serre des sols liées aux cycles de C et N et importance des pressions de contamination chimique et climatique

Cycles du carbone et de l’azote dans les sols et leurs contrôles

Cycle du carbone

Les sols sont un milieu hétérogène constitué schématiquement de phases liquides (eau et solutés dissous comme des ions minéraux, métalliques ou de la matière organique pour 25%), gazeuses (25%) et solides (phases minérales pour environ 45% ou organiques pour 5%). Parmi les constituants organiques on distingue deux fractions l’une vivante, l’autre constituée de débris végétaux ou animaux ou de molécules organiques plus ou moins polymérisées. On estime que la partie souterraine des plantes est de taille équivalente à la partie aérienne tandis que la biomasse microbienne est estimée à 109 cellules par gramme de sol (Raynaud and Nunan, 2014). L’énergie utilisée par le vivant étant véhiculée par les formes réduites du C, le transfert de C au long de la chaine trophique est un des paramètres les plus intégrateurs des écosystèmes. La dégradation de la MO, source du C des sols, est un processus très général accompli par de nombreux organismes en conditions aérobies suivant l’équation I.1. : (I.1) CH2O +O2 –> CO2+H2O, CH2O étant une brique élémentaire de la MO En revanche, les temps de résidence (durée des transformations) dans le sol de la MO et l’intensité des flux de respiration associés peuvent grandement varier. Par exemple, on estime que le temps de résidence du carbone est d’environ 1306 ans dans les forêts tropicales contre plus de 5600 ans dans les toundras (Luo et al., 2019). Le climat (température, précipitations, cycles de gel…) peut affecter la production primaire et donc les apports de matière fraîche ainsi que les vitesses de dégradation. A ceci s’ajoutent différents mécanismes de persistance de la matière organique dans les sols qui restent très débattus, entre récalcitrance chimique de la matière organique à la dégradation et /ou protection physique de celleci par les composés du sol (Lützow et al., 2006). Nous apporterons plus de détails sur ces différents facteurs aux paragraphes A.3 et B. A.2.Cycle de l’azote Origine des émissions de gaz à effet de serre des sols liées aux cycles de C et N et importance des pressions de contamination chimique et climatique L’azote (N) est un des composants principaux des protéines et des enzymes mais est difficilement assimilable par les plantes ou micro-organismes sous sa forme prépondérante N2. La plupart (80-85% (Schlesinger and Bernhardt, 2013, chap 12)) de N utilisé par les plantes vient de la minéralisation de N provenant de tissus morts ou ajoutés artificiellement sous la forme d’engrais composés de NH4 ou NO3. La transformation de N dans le sol peut être résumée en 4 étapes principales (Schlesinger and Bernhardt, 2013, chap 12), voir fig I.1 : i) La décomposition de la MO relargue des acides aminés utilisés directement. ii) La nitrification réduit le NH4 + en NO3 – et NO2 avec émission de NO2 et N2O (eq. I.2, I.3, I.4). iii) NO3 – est converti en NH4 + par les DNRA (dissimilatory nitrate reduction to ammonium). iv) La dénitrification transforme NO3 – en NO2, N2 et N2O.

Au cours de chacune de ces transformations les espèces produites peuvent être utilisées par les plantes ou les micro-organismes. Les plantes utilisent préférentiellement NO3 – , mobile dans la solution du sol, même si dans certains écosystèmes NH4 + est favorisé (Paul, 2015, chap 14). Chacune de ces étapes est constituée de différentes réactions accomplies par différents groupes de microorganismes plus ou moins spécialistes. La nitrification (ii) est principalement effectuée par des bactéries chimio-autotrophes des genres Nitrosomonas et Nitrobacter ainsi que dans une moindre mesure, certains procaryotes et archées (Schimel et al., 1984; Duggin et al., 1991).