Modélisation de la respiration du sol dans les agro-écosystèmes

240 Pages·2017·8.33 MB·French

by  Elodie Delogu

Modélisation de la respiration du sol dans les
agro-écosystèmes
Elodie Delogu
To cite this version:
Elodie Delogu. Modélisation de la respiration du sol dans les agro-écosystèmes. Sciences de la Terre.
Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2013. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-00953712￿
HAL Id: tel-00953712
https://theses.hal.science/tel-00953712
Submitted on 28 Feb 2014
HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents
entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de
teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires
abroad, or from public or private research centers. publics ou privés.
(cid:0)
(cid:0)
(cid:37)(cid:78)(cid:0)(cid:86)(cid:85)(cid:69)(cid:0)(cid:68)(cid:69)(cid:0)(cid:76)(cid:7)(cid:79)(cid:66)(cid:84)(cid:69)(cid:78)(cid:84)(cid:73)(cid:79)(cid:78)(cid:0)(cid:68)(cid:85)(cid:0)
(cid:37)(cid:48)(cid:36)(cid:53)(cid:48)(cid:51)(cid:34)(cid:53)(cid:1)(cid:37)(cid:38)(cid:1)(cid:45)(cid:8)(cid:54)(cid:47)(cid:42)(cid:55)(cid:38)(cid:51)(cid:52)(cid:42)(cid:53)(cid:178)(cid:1)(cid:37)(cid:38)(cid:1)(cid:53)(cid:48)(cid:54)(cid:45)(cid:48)(cid:54)(cid:52)(cid:38)(cid:1)
(cid:0)
(cid:36)(cid:207)(cid:76)(cid:73)(cid:86)(cid:82)(cid:207)(cid:0)(cid:80)(cid:65)(cid:82)(cid:0)(cid:26)
UniversitéToulouseIIIPaulSabatier(UT3PaulSabatier)
(cid:0)
(cid:1) (cid:36)(cid:73)(cid:83)(cid:67)(cid:73)(cid:80)(cid:76)(cid:73)(cid:78)(cid:69)(cid:0)(cid:79)(cid:85)(cid:0)(cid:83)(cid:80)(cid:207)(cid:67)(cid:73)(cid:65)(cid:76)(cid:73)(cid:84)(cid:207)(cid:0)(cid:26)
ECOLOGIEFONCTIONNELLE-MODELISATION
(cid:0)
(cid:0)
(cid:48)(cid:82)(cid:207)(cid:83)(cid:69)(cid:78)(cid:84)(cid:207)(cid:69)(cid:0)(cid:69)(cid:84)(cid:0)(cid:83)(cid:0)(cid:79)(cid:85)(cid:84)(cid:69)(cid:78)(cid:85)(cid:69)(cid:0)(cid:80)(cid:65)(cid:82)(cid:0)(cid:26)(cid:0)
EMILIED(cid:0)ELOGU
(cid:76)(cid:69)(cid:0)(cid:26) 03/12/2013 (cid:0)
(cid:0)
(cid:52)(cid:73)(cid:84)(cid:82)(cid:69)(cid:0)(cid:26)
(cid:0)
MODELISATIONDELARESPIRATIONDUSOLDANSLESAGRO-ECOSYSTEMES
(cid:0)
(cid:0)
(cid:0)
(cid:37)(cid:67)(cid:79)(cid:76)(cid:69)(cid:0)(cid:68)(cid:79)(cid:0)(cid:67)(cid:84)(cid:79)(cid:82)(cid:65)(cid:76)(cid:69)(cid:0)(cid:26)
Sciencesdel'Univers,del'Envir(cid:0)onnementetdel'Espace(SDU2E)
(cid:53)(cid:78)(cid:73)(cid:84)(cid:207)(cid:0)(cid:68)(cid:69)(cid:0)(cid:82)(cid:69)(cid:0) (cid:67)(cid:72)(cid:69)(cid:82)(cid:67)(cid:72)(cid:69)(cid:0)(cid:26)
CESBIO-UMR5126
(cid:36)(cid:73)(cid:82)(cid:69)(cid:67)(cid:84)(cid:69)(cid:85)(cid:82)(cid:8)(cid:83)(cid:9)(cid:0)(cid:68)(cid:69)(cid:0)(cid:52)(cid:72)(cid:210)(cid:83)(cid:69)(cid:0)(cid:26)
DrVALERIELEDANTEC,maîtredeconférenceàl'UniversitéToulouseIII
DrPATRICKMORDELET,maîtredeconférenceàl'UniversitéToulouseIII
(cid:50)(cid:65)(cid:80)(cid:80)(cid:79)(cid:82)(cid:84)(cid:69)(cid:85)(cid:82)(cid:83)(cid:0)(cid:26)
PrBERNARDBODSON,professeuràl'UniversitédeLiège,Belgique
(cid:0)
PrDANIELEPRON,professeuràl'UniversitédeLorraine
PrTHIERRYGAUQUELIN,profess(cid:0)euràl'Universitéd'Aix-Marseille
M(cid:69)(cid:77)(cid:66)(cid:82)(cid:69)(cid:8)(cid:83)(cid:9)(cid:0)(cid:68)(cid:85)(cid:0)(cid:74)(cid:85)(cid:82)(cid:89)(cid:0):
DrELIZABETHPATTEY,chercheuràAgricultureetAgroalimentaireCanada
PrMICHELETACKX,professeuràl'UniversitéToulouseIII
PrMARCAUBINET,professeuràl'UniversitédeLiège,Belgique

Résumé
Le rôle des écosystèmes agricoles – représentant environ 1/3 des terres émergées - dans la
régulation du cycle du carbone est une question cruciale posée par la société aux scientifiques.
L’étude de la respiration du sol, de ses composantes et de ses mécanismes doit permettre de
fixer les bases de la compréhension du fonctionnement carboné du sol puis de l’écosystème
agricole en lien avec les questions de réduction des émissions et de stockage de carbone
atmosphérique. Les échanges de carbone du sol font d'ailleurs l’objet d’efforts de recherche
récents très poussés, tant leur dynamique et leur variabilité sont encore mal connues.

Aujourd’hui, il est difficile d’estimer l’efficacité des pratiques expérimentales et aucune méthode
n’a encore été reconnue comme référence. La compréhension des sources des émissions et de
leurs fluctuations est cruciale pour l’estimation du potentiel de séquestration du carbone par les
sols agricoles via l’application de pratiques culturales appropriées. Dans ce contexte, la
modélisation s’avère être un outil incontournable pour quantifier les flux (approche empirique)
mais aussi pour orienter les recherches vers des domaines où la faible compréhension des
mécanismes rend aléatoire l'établissement du bilan carboné (approche mécaniste).

La démarche retenue pour ce travail fait appel à la modélisation théorique selon deux approches
(empirique et mécaniste) définies pour satisfaire à différents compromis entre précision,
généricité et réalité.
Le développement de modèles empiriques, sur 5 sites d’étude aux conditions pédoclimatiques
différentes, montre l’importance de lier la respiration à plusieurs facteurs abiotiques et biotiques
afin d’obtenir des prédictions génériques et robustes. Ainsi, un modèle de respiration
hétérotrophe R paramétré à l’aide des variables climatiques de température T et d’humidité θ
h s s
s’est avéré convaincant alors que la modélisation de la respiration du sol R n’a pu être
s
satisfaisante qu’à condition de prendre en compte un indice de croissance de végétation
supplémentaire (GPP). L’approche empirique n’a cependant pas permis d’évaluer correctement
les contributions des différentes composantes de R.
s
Le modèle semi-mécaniste décrivant finement les processus a été validé sur 3 sites aux
conditions pédoclimatiques contrastées et a permis l’estimation des contributions des sources
hétérotrophe et autotrophe au sein de la respiration du sol. Ainsi, R représente entre 63 % et 66
h
% de R pour une saison de culture de blé d’hiver et entre 52 % et 56 % de R pour une saison de
s s
culture de blé de printemps. La contribution de la respiration du sol dans le bilan écosystémique
est évaluée entre 33% et 43% pour une culture de blé d’hiver et à hauteur de 50 % pour du blé de
printemps.
Ce modèle, une fois développé pour intégrer différentes pratiques culturales (fertilisation et
travail du sol), a aussi permis de démontrer que les dynamiques de stockage/déstockage du
carbone du sol et des émissions de CO du sol sont davantage conditionnées par l’apport de
2
matières organiques (fumier, résidus de cultures) que par le travail du sol lui-même.
Abstract
Around 1/3 of the Earth land surface is used for croplands. Their role in the carbon cycle is a
crucial issue for scientists today. In the context of global warming, understanding the factors
influencing carbon fluxes of agricultural soils and their components is essential for
implementing efficient mitigation practices.

The CO produced at the soil surface results from several respiratory processes making the
2
evaluation of the existing methods complicated. Understanding the soil respiration sources and
their dynamics are crucial issues to estimate the potential for carbon sequestration into soils via
efficient cultural practices. Because of its major role in carbon loss over croplands, soil
respiration modeling received much attention to quantify the fluxes (empirical modeling), to
highlight the lack of knowledge and to guide researches (mechanistic modeling).
In this study, empirical and semi-mechanistic models were carried out depending on how
precise, generic or real the model should be.

Using abiotic and biotic factors was essential to properly model respiration among five sites
with different soil and climate. The R sensitivity to T and θ was adequate to obtain satisfying
h s s
predictions over bare soils but the dependency of R on an indicator of the vegetation growth
s
(GPP) was necessary to improve the predictions during crop periods. The empirical approach
could not allow a good and reliable estimation of the contributions of the different components
of Rs.
Semi-mechanistic model was tested on 3 sites with various climatic and soil conditions. This
approach allowed a good assessment on the heterotrophic and autotrophic contributions since it
described more carefully the soil respiration and its underlying processes. R accounted for 63 %
h
to 66 % of R for winter wheat culture whereas it accounted for 52 % to 56 % for a spring wheat
s
rotation. R represented 33 % to 43 % of the total ecosystem respiration balance during winter
s
wheat season and about 50 % for spring wheat.
The semi-mechanistic model was developed to simulate the effects under different cultural
practices as fertilization (manure) and tillage systems. It was concluded that carbon
sequestration and carbon dioxide fluxes were more affected by soil organic matter inputs than
by the tillage system itself.

Remerciements
Jamais ce moment tant attendu de l’écriture des remerciements n’aurait pu se concrétiser sans le
soutien indéfectible de mes deux directeurs de thèse. Valérie, Patrick, votre duo si
complémentaire m’a permis de mener à terme ce projet sans aucune encombre et avec une
grande sérénité. La folle énergie de Valérie si bien compensée par le calme apaisant de Patrick
m’ont permis de vivre pleinement trois années extrêmement enrichissantes. Merci pour votre
patience, votre présence, votre énergie, votre pédagogie, votre dynamisme, votre écoute, votre
diplomatie, votre confiance et pour toutes les autres qualités que vous possédez et que vous
avez su utiliser pour m’épauler et me guider de la meilleure des manières tout au long de ce
travail. En me remémorant ces trois années, il me vient un sourire. Chaque échange, qu’il fut ou
non scientifique, m’a permis de grandir, de mûrir et de prendre confiance en moi. Cette thèse est
une véritable réussite personnelle et c’est en très grande partie à votre investissement que je le
dois. Mes premiers remerciements vous sont donc naturellement et très chaleureusement
adressés.

Je tiens ensuite à remercier l’ensemble du personnel du Cesbio qui n’est pas étranger au bon
déroulement de ma thèse. Merci à tous d’avoir fait de ce labo un lieu de travail appréciable et
convivial, où les échanges sont aisés et les sourires toujours présents.
Je remercie en particulier Tiphaine pour les nombreuses fois où j’ai pu te solliciter et pour
lesquelles tu as toujours répondu avec tant de gentillesse et de rapidité. J’associe Aurore pour
vous remercier toutes les deux d’avoir accepté de vous confronter à l’une de mes répétitions :
merci pour votre écoute et vos remarques précieuses. Je ne peux manquer de remercier Malik,
compagnon fréquent de thé au citron et de détente. Antoine, oreille toujours présente pour mes
incessants bavardages, et technicien hors pair pour palier à mes faiblesses informatiques, je te
remercie encore une fois pour ta gentillesse et pour l’atmosphère si paisible que tu as su
maintenir dans le bureau 113 tout au long de nos thèses.

Je souhaite exprimer toute ma gratitude à Elizabeth Pattey, Marc Aubinet et Bruno Mary pour
avoir accepté de suivre mon travail durant ces trois ans. Merci pour votre temps, votre présence
et vos conseils avisés sans lesquels avancer aurait été plus difficile. Je remercie tout
particulièrement Elizabeth pour avoir accepté de nous accueillir de l’autre côté de l’Atlantique et
de nous avoir si gentiment fait découvrir un petit bout de son Canada que j’aime tant.
Un grand merci également à Bernard Bodson, Daniel Epron et Thierry Gauquelin pour avoir
accepté de lire mon manuscrit, de l’évaluer et d’être présents en tant que rapporteurs à ma
soutenance. Merci à Michèle Tackx pour avoir accepté le rôle de présidente du jury lors de ma
soutenance.
Durant ma thèse, j’ai eu la chance et la très grande joie d’enseigner au sein du CPP de Toulouse.
Je remercie vivement Jacques Lequin pour l’organisation de mon monitorat, pour sa gentillesse
et son attention.

Enfin, je souhaite exprimer encore ici toute ma reconnaissance à ma famille et mes amis.
Merci à mes parents : chaque retour en Moselle aura été un véritable apaisement. Que la
choucroute, les « krumberkichle », les « lewerknepfle », la « schmierwurst », les
« käsebockwurst », les « schwenk », le munster, le rôti gitan et les bouchées à la reine de ma
maman existent pour toujours !
Merci à ma petite sœur d’être toujours là, toujours drôle, toujours vive, toujours parfaite.
Merci à ma tatie, mon tonton et mes cousines des Landes.
Merci à la famille Levavasseur/Féret pour avoir eu la curiosité d’assister à ma soutenance, et
pour les escapades estivales toujours si agréables en votre compagnie.
Merci à mes amis toujours présents à toute heure du jour ou de la nuit pour trinquer, manger,
danser, chanter, papoter et rire...et à Lucas et Touf particulièrement...
Merci à Delphine qui, même du fin fond de sa bourgade de Pasadena, aura toujours été
présente, toujours réactive et toujours géniale.
Merci enfin à Pierre, soutien et support quasi-infaillible, à qui revient une très grande part de la
réussite de ce projet.

A Mamie, A Nonno
Sommaire
Résumé ......................................................................................................................................................... 1
Abstract ........................................................................................................................................................ 3
Remerciements ............................................................................................................................................ 5
Sommaire ..................................................................................................................................................... 7
Liste des abréviations ............................................................................................................................... 11
Introduction générale ............................................................................................................................... 15
1. L’atmosphère change ............................................................................................................... 15
2. Le cycle du carbone .................................................................................................................. 16
3. L’impact des changements d’utilisation des terres .............................................................. 20
4. Le cycle du carbone dans un écosystème agricole ............................................................... 21
5. Réaugmenter le stockage du carbone dans le sol ................................................................. 22
Chapitre I : La respiration du sol dans les agro-écosystèmes ........................................................... 27
1. La respiration du sol ................................................................................................................ 27
1.1. Qu’est-ce que la respiration ? .......................................................................................... 27
1.2. Les respirations hétérotrophes et autotrophes du sol ................................................. 27
1.3. La respiration du sol dépend des conditions environnementales ............................. 29
2. Mesurer et modéliser pour mieux maîtriser ......................................................................... 31
2.1. Mesurer les flux ................................................................................................................ 31
2.2. Modéliser la respiration du sol ....................................................................................... 33
2.3. Contenu de la thèse .......................................................................................................... 34
Chapitre II : La modélisation de la respiration du sol ..................................................................... 39
Etat de l’art ............................................................................................................................................ 39
Développement et validation des modèles ....................................................................................... 51
1. Description des modèles .......................................................................................................... 51
1.1. Approche empirique ........................................................................................................ 51
1.2. Approche semi-mécaniste ............................................................................................... 53
1.2.1. Modélisation de la dynamique de la matière organique et du flux de carbone
associé : module R ................................................................................................................... 53
h
1.2.2. Modélisation de la respiration racinaire : module R ......................................... 62
ar