Soutenance de thèse de Solène QUERO

La mise en culture des terres induit la dégradation de la ressource sol. Les stratégies agroécologiques employées pour la restaurer s’orientent aujourd’hui principalement vers l’augmentation des entrées de matière organique (MO), mais un autre levier pourrait être l’augmentation du temps de résidence de la matière organique, ce qui nécessite une meilleure compréhension de la dynamique du carbone (C). L’objectif de cette thèse était donc d’évaluer l’impact d’une transition de la forêt vers la vigne sur la dynamique du C des sols, de l’échelle du m à la centaine de nm. Les sous-objectifs étaient de (i) sélectionner sur un sol, une paire de sites identiques en tous points, à l’exception de leur couvert végétal (ce dernier doit être le même depuis au moins 100 ans), (ii) étudier les variations à long terme des stocks de C et leur dynamique suite à une mise en culture, (iii) à l’échelle du bulk et de fractions de sol et (iv) observer et décrire les formes de matière organique aux échelles submicrométriques par microscopie électronique à émission de champ. Une paire de parcelles adjacentes, développées sur un arénosol méditerranéen (granite du Massif des Maures) et ayant subi une transition forêt/vigne il y a plus de 100 ans, a été sélectionnée. L’impact du changement d’usage sur la dynamique du C a été évalué par la quantification de la teneur en C (TOC), en azote (TN) et en radiocarbone (14C), à l’échelle de la parcelle (forêt/vigne), du profil de sol (0-80 cm) et de la fraction de sol (>50/20-50/2-20/<2 µm). Les phases minérales (bulk et fractions) ont été caractérisées par diffraction aux rayons X. Les associations organo-minérales ont été observées à l’aide d’un Microscope Electronique à Balayage (MEB-FEG), uniquement dans le niveau 5-10 cm du sol de forêt, riche en MO. Des cartographies chimiques ont été réalisées par MEB-EDX. Les mesures ont révélé une diminution drastique du TOC sur l’ensemble du profil lors de la mise en culture (-93,7% dans la couche arable, -76,2% en profondeur), accompagnée d’une redistribution verticale et horizontale du C par le labour profond (50 cm). La texture majoritairement sableuse des arénosols (peu favorable à la stabilisation du C), associée à des conditions extrêmes (150 ans de vigne, culture intensive, climat méditerranéen), expliquent ces valeurs rarement égalées dans la littérature. Malgré une perte de plus de 60% de C stabilisé (68% dans la couche arable, 63% en profondeur), la fraction < 2 µm contient la majorité du C restant, qui s’est révélé être ancien et d’origine microbienne. L’étude du 14C et du C :N a mis en avant que le degré de biotransformation de la MO par le compartiment microbien augmente avec son ancienneté (F14C) et la diminution de la taille de la fraction (r2 = 0,71). La banque d’images, créée à partir d’observations MEB, a mis en évidence que la MO de la fraction < 2 µm se trouvait majoritairement sous forme de polymères extracellulaires (EPS). À notre connaissance, leur morphologie en nanotubules n’avait jamais été imagée de cette façon. Les interactions organo-minérales en jeu semblent être de la coprécipitation (plaquages riches en Fe et en C) et de l’adsorption (revêtement d’EPS). Il se pourrait que les EPS stabilisées soient la forme restante de la MO après la mise en culture. La mise en place de pratiques stockantes (enherbement, pas de travail du sol, etc.) permettrait un retour au stock de C initial en une centaine d’années, ce qui fait de ces arénosols de bonnes cibles vis-à-vis de l’initiative 4p1000. L’ensemble de ces connaissances pourraient, à terme, augmenter l’efficacité des méthodes agroécologiques pour le stockage du C et participer à la lutte contre le changement climatique.

Land uses leading to degradation of soil resources. Agroecological strategies for restoring its functioning are now mainly oriented towards increasing organic matter inputs, but another lever could be to increase the residence time of organic matter (OM), which requires a better understanding of carbon (C) dynamics. The present thesis was therefore carried out to highlight the impact of a forest-to-vineyard land use change on the C dynamics, from the meter scale to the 100 nm scale. The objectives were to (i) select on a soil type a paired sites, identical in all respects, except for their vegetation cover (the latter had to be the same for at least 100 years), (ii) study the long-term variations in C stocks and their dynamics following cultivation, (iii) at the scale of the bulk and soil fractions and (iv) observe and describe the forms of OM at submicrometer scales by field emission electron microscopy. A pair of adjacent plots, developed on a Mediterranean arénosol (granite from the “Massif des Maures”) and having undergone a forest/vineyard transition more than 100 years ago, was selected. The impact of the change in use on C dynamics was assessed by quantifying C (TOC), nitrogen (TN) and radiocarbon (14C) content at the plot (forest/vineyard), soil profile (0-80 cm) and soil fraction (>50/20-50/2-20/<2 µm) scales. The mineral phases (bulk and fractions) were characterised by X-ray diffraction. The organo-mineral associations were observed using a Scanning Electron Microscope (FEG-SEM), only in the 5-10 cm level of the OM-rich forest soil. Chemical mapping was carried out by SEM-EDX. The measurements revealed a drastic decrease in TOC over the entire profile after long-term grape cultivation (-93.7% in the topsoil, -76.2% at depth), accompanied by both vertically and horizontally redistribution of the remaining C, due to deep ploughing (50 cm). The predominantly sandy texture of the arenosols (not conducive to C stabilisation), combined with extreme conditions (150 years of vineyards, intensive cultivation, Mediterranean climate) explains these values, which is rarely equalled in the literature. Despite a loss of more than 60% of stabilised C (68% in the topsoil, 63% at depth), the fraction < 2 µm contains most of the remaining C, which was found to be old and of microbial origin. The study of 14C and C:N showed that the degree of biotransformation of OM by the microbial compartment increases with age (F14C) and decreasing fraction size (r2 = 0.71). The image bank, created from SEM observations, showed that OM of the < 2 µm fraction was mainly in the form of extracellular polymers (EPS). To our knowledge, their nanotubule morphology had never been imaged in this way. The organo-mineral interactions involved appeared to be co-precipitation (Fe and C rich plating) and adsorption (EPS coating). It could be that stabilised EPS is the remaining form of OM after cultivation. The implementation of stocking practices (grassing, no tillage, etc.) would allow a return to the initial C stock in about 100 years, which makes these arenosols good targets for the 4p1000 initiative. All of this knowledge could, in the long term, enhance the effectiveness of agro-ecological methods for storing organic C and help combat climate change.