Animateur Martial BERNOUX et Olivier ROUPSARD

Participants: 21 Chercheurs et 8 Ingénieurs et Techniciens

Depuis la révolution industrielle, les activités humaines, telle que la combustion des réserves fossiles ou la demande de produits agricoles et forestiers, ont augmenté considérablement. Emissions de gaz à effet de serre et pertes de C stocké dans les biomasses et dans les sols se sont ainsi accentuées. Il y a donc eu une injection massive de C sous forme de CO2 dans l’atmosphère.

Le CO2 est le principal gaz à effet de serre (GES) dans l’atmosphère après la vapeur d’eau, sans oublier le méthane (CH4) et l’oxyde nitreux (N2O). Ces deux derniers GES sont principalement émis par la déforestation et les activités agricoles, pastorales et sylvicoles. Les écosystèmes terrestres échangent naturellement du CO2 dans les deux sens avec l’atmosphère. La photosynthèse (de l’atmosphère vers l’écosystème) et la respiration-oxydation (de l’écosystème vers l’atmosphère) sont du même ordre de grandeur mais avec toutefois un bilan net en faveur de la photosynthèse ; la biosphère, au final, stocke ainsi du C dans les biomasses et les sols; c’est la fonction puits de carbone (C) des écosystèmes. Le C est le principal élément des biomasses (50%) et des matières organiques des sols (MOS). A l’échelle de la planète, les MOS stockent plus de C que les biomasses et deux fois plus que le compartiment atmosphérique.

Les changements globaux (les changements climatiques et d’usage des terres) sont depuis les années 90 au coeur des débats sociétaux. Dans un premier temps, les préoccupations des sociétés ont surtout concerné les flux des gaz à effet de serre (GES), se traduisant par des programmes de recherche visant à mesurer les flux globaux, identifier et quantifier les sources et les puits, dans le but principal de réduction des sources et d’augmentation des puits des GES. Ces deux derniers aspects sont regroupés sous le vocable de «mitigation », ou parfois encore « atténuation».
Depuis les publications du 3ème rapport d’évaluation du Groupe Intergouvernemental d’Expert sur le Climat (GIEC) en 2001 et, en 2005, du Millennium Ecosystem Assessment, la « vulnérabilité » des écosystèmes et de leurs services écosystémiques est au centre des débats et des questionnements de la société et de la communauté scientifique. La récente crise alimentaire mondiale de 2008 a de plus rappelé la nécessité d’une production agricole soutenue et durable.

Le bilan de C des écosystèmes est très sensible aux changements globaux. Aussi bien au niveau des plantes que de la MOS, les changements de température, de teneur en eau, de CO2 ambiant ou de fertilité sont connus pour affecter à la fois la photosynthèse, la respiration des plantes et du sol et la partition de la productivité primaire nette entre, les racines et les parties aériennes. Les conséquences sont complexes, d’autant qu’il faut distinguer les effets à court terme de ceux liés à l’acclimatation des écosystèmes.
Les changements d’usage des terres peuvent avoir des effets aussi bien positifs que négatifs sur le bilan de C des écosystèmes, selon les modes d’usages et les pratiques agronomiques. Ces variations sont dues principalement à des changements de productivité primaire, de restitutions organiques au sol, des vitesses de minéralisation des MOS et des transferts de MOS (érosion…). Ces perturbations du cycle du C vont de pair avec une perturbation des cycles des autres éléments, et en particulier ceux de N et P.
Les écosystèmes tropicaux humides et arides sont particulièrement sensibles aux changements globaux, compte tenu des larges ressources forestières des zones tropicales et intertropicales et de la vulnérabilité de la production agricole des zones arides et semi-aride.

Comme pour les autres Thèmes de l’UMR, les recherches du Thème 3 s’inscrivent dans le contexte d’une intensification écologique permettant d’augmenter la productivité en réduisant les intrants et en favorisant les services écosystémiques ciblés dans ce thème : production primaire et séquestration du C.

Nos recherches ont pour objectif de maîtriser les déterminants du cycle du C et des flux de GES des agroécosystèmes en intégrant les compartiments sol et plante ainsi que leurs interactions dans les approches expérimentales et les modèles.

Les questions et hypothèses de recherche du thème Carbone et Changements globaux

• Les types d’usages et les modes de gestion des terres influencent la productivité et la séquestration du C. L’évaluation et la modélisation du fonctionnement des systèmes fournissent des bases objectives pour orienter les choix en vue d’une intensification écologique des agro-écosystèmes.
• La variabilité des situations actuelles, dans l’espace et/ou dans le temps peut être exploitée ou manipulée expérimentalement pour estimer certaines conséquences des changements globaux sur les services écosystémiques et sur la vulnérabilité des agro-écosystèmes.

1. Processus et déterminants majeurs de la fonction « Puits » des écosystèmes

Pour cette fonction « Puits » des écosystèmes, nos recherches cherchent à coupler le fonctionnement de la plante et du sol. Le rôle des litières aériennes et souterraines sur la production nette des plantes et sur le stockage de C dans le sol est particulièrement étudié selon les conditions pédoclimatiques et les modes de gestion des sols.

Au niveau de la plante, les points clés sont l’influence des déterminants biotiques et abiotiques sur l’acquisition du C, sa partition initiale entre productivité primaire et respiration autotrophe (carbon use efficiency), puis la partition de la production primaire entre compartiments en croissance, compartiments de réserves et les litières. L’impact des relations plante-plante sur l’efficience d’utilisation de la lumière, de l’eau, du C et des nutriments est pris en considération notamment dans le cas de peuplements mixtes pérennes/pérennes, ou pérennes/annuelles en relation avec le Thème 2.

Tout le C qui arrive dans le sol sous forme de MO via la photosynthèse ne participe pas à la séquestration de CO2. Une fraction est respirée par les organismes hétérotrophes. Le climat, les propriétés physicochimiques des sols, les propriétés chimiques des ressources, les interactions entre les groupes biologiques sont les principaux facteurs de cette respiration hétérotrophe. Nos recherches portent essentiellement sur l’impact du climat, les propriétés physico-chimiques des sols et la nature et la localisation des intrants (litières, rhizodéposition) sur la respiration hétérotrophe du sol et les processus de stabilisation des MO dans le sol. Ces travaux se font en collaboration avec le Thème 1 pour ce qui concerne l’impact des assemblages biologiques. Le rôle potentiel des sols en tant que puits de N2O est de plus étudié afin de comprendre les déterminants et processus responsables de cette fonction « puits » vis à vis du N2O.

2. Processus et déterminants majeurs de la fonction « Sources » des écosystèmes

Nous étudions la production de CO2 par les plantes et le sol et de N2O et CH4 par le sol. Nous nous attachons à préciser la variabilité spatiale et temporelle des déterminants et des processus à l’origine de ces flux. Les respirations hétérotrophe (du sol) et autotrophe (des plantes) sont étudiées. La quantification de la contribution respective de ces deux types de respiration par mesures directes sur les plantes, zones d’exclusion racinaire dans les sols et traçage isotopique est envisagée. De plus la sensibilité de la respiration hétérotrophe à l’augmentation de température et à l’apport de MO fraiche est étudiée en relation avec le thème 1 (cf Thème 1, § 2. Processus biologiques de régulation de la séquestration de C). Les déterminants de la dynamique des flux de N2O et CH4 sont de plus étudiés afin d’améliorer leur modélisation/ simulation. Pour ceci nous développons des techniques de mesure de ces flux à des pas de temps courts permettant leur approche globale et non plus uniquement ponctuelle à l’aide de chambres statiques. Les déterminants de ces flux en termes de composition et d’activité des communautés microbiennes sont étudiés en partenariat avec le Thème 1.

Un effort particulier est mis sur la question des changements d’échelle : comment les phénomènes de compensation entre échelles permettent-ils de s’affranchir de la complexité des petites unités comme les domaines fonctionnels de régulation ?
La modélisation est une approche privilégiée pour appréhender cette question: (i) quels modèles pour quelles échelles ? (ii) comment trouver les bons compromis entre résolution des modèles et capacité à simuler sur de larges échelles de temps et d’espace ? Par exemple comment intégrer l’échelle de modélisation du Thème 1 (profil) dans l’approche à l’échelle de l’agro-écosystème privilégiée par le Thème 3, tout en conservant un niveau raisonnable de complexité et de nombre de paramètres ?

L’approche privilégiée consiste à coupler expérimentation, modélisation, méta-analyses et à comparer divers scénarios de changement global.

Au champ, la démarche d’expérimentation est appliquée sur un nombre limité de sites fortement instrumentés pour la mesure exhaustive de l’ensemble des flux et des stocks de C au sein de l’agro-écosystème: monitoring de la productivité primaire, de la photosynthèse, de la respiration, de l’allocation de C au sein des différents organes de la plante, mesure des différents termes du bilan hydrique et du bilan radiatif. Des méthodes intégratives (eddy covariance) dans le temps et l’espace seront mises en oeuvre. Afin d’inventorier les stocks de C et d’étudier leur variabilité spatiale et temporelle, la spectroscopie dans le moyen et proche infrarouge (MIRS, NIRS) sont privilégiées, puisqu’elles permettent des mesures rapides et non destructives de divers constituants et propriétés des sols. Pour appréhender la dynamique des processus du cycle de C, ces méthodes seront complétées par des techniques de traçage / marquage isotopique (notamment 13C, 15N, 18O), ainsi que par des techniques de mesure quantitative et dynamique des biomasses végétales aériennes et racinaires en mini-rhizotron.

Au laboratoire la démarche d’expérimentation permet de compléter les travaux de terrain et de préciser un nombre limité de processus, en lien avec le Thème 1 notamment.

La modélisation développée s’appuie sur un ensemble de modèles. Les enjeux actuels sont de coupler différents modèles sol et plante, en interaction avec le Thème 1 et le Thème 2. Un enjeu important est aussi la modélisation de la production nette de l’écosystème car elle intègre à la fois le fonctionnement des plantes et celui du sol, et donc de leurs interactions. Un autre enjeu méthodologique concerne par exemple l’intégration des forçages climatiques dans les modèles pour comparer les simulations des impacts des changements selon des approches hiérarchiques ou multicritères.

Enfin, notre démarche d’expérimentation et modélisation sera complétée par la réalisation et l'utilisation de métaanalyses de données. Pour cela, nous enrichissons et interrogeons plusieurs des bases de données (e.g. FLUXNET, FAO-TEMS, DAAC etc.).

• les peuplements ligneux pérennes de courte rotation,
• l’agroforesterie (légumineuse arborescente-café dans un premier temps),
• les cultures annuelles à graine (céréales / légumineuses),
avec dans chaque cas le souci de comparer des peuplements mono-spécifiques et plurispécifiques,
• les systèmes agro-écologiques (AB et systèmes de semis direct).

Les activités du thème Carbone et Changements globaux s’appuient en particulier sur certaines implantations de l’UMR équipées de tours à flux étudiant les systèmes suivants (i) Eucalyptus et plantations mixtes au Brésil et au Congo, (ii) Hévéa en Thaïlande, et (iii) Agroforesterie à base de caféiers au Costa Rica.

Domaines d’application

• Evaluation de la productivité primaire nette, en lien avec la productivité agricole et/ou forestière, et la compréhension des facteurs limitants,
• Bilan de séquestration de C : détaillé (approche scientifique) ou « rapid assessment » (neutralité C, dossiers MDP ou marché volontaire),
• Contribution à des bases de données mondiales, à des méta-analyses et aux synthèses de l’IPCC.