Le sol contient environ deux fois plus de carbone que l’atmosphère et les plantes réunies. Il s’agit d’un puits de carbone majeur, capable d’absorber plus de dioxyde de carbone de l’atmosphère qu’il n’en rejette. La gestion du carbone du sol est essentielle aux efforts visant à atténuer le changement climatique, en plus d’être vitale pour la santé des sols et la productivité agricole.
Cependant, mesurer le carbone du sol est un processus fastidieux et coûteux. Les échantillons doivent être extraits du sol et envoyés à un laboratoire pour analyse, ce qui rend difficile la mise à l’échelle des mesures à grande échelle spatiale.
Les scientifiques de l’environnement ont désormais combiné des données de terrain avec des techniques d’apprentissage automatique pour estimer le carbone organique du sol à l’échelle continentale des États-Unis. Le Journal de recherche géophysique : Biogéosciences a publié la nouvelle estimation du carbone organique du sol, qui améliore l’estimation globale pour les États-Unis et donne de nouvelles informations sur les effets des variables environnementales sur le carbone organique du sol.
« Il est de plus en plus reconnu que le carbone organique du sol est important et que nous devrions investir dans sa constitution grâce à des pratiques de gestion durable des terres », déclare Debjani Sihi, auteur principal de l’étude et professeur adjoint de sciences environnementales à l’Université Emory. « Notre estimation est plus précise que les estimations existantes et fournit une meilleure référence pour guider les décideurs politiques et les gestionnaires des terres dans l’adoption de pratiques intelligentes face au climat. »
La terre est bien plus efficace que l’océan pour retenir le carbone, note Sihi, et offre une solution possible basée sur la nature pour aider à atténuer le changement climatique.
« Nous pourrions potentiellement créer des conditions favorables », explique-t-elle, « qui permettraient au sol de capter le dioxyde de carbone de l’atmosphère et de l’y emprisonner pendant très longtemps, sur des millénaires ».
Sihi est un biogéochimiste qui étudie les questions environnementales et de durabilité à la croisée du sol et du climat.
Le premier auteur de l’article actuel est Zhuonan Wang, un ancien boursier postdoctoral du laboratoire de Sihi qui travaille maintenant à l’Université d’État du Colorado.
Explorer les données du sol
Le carbone organique du sol est constitué de matières végétales et animales dans divers états de décomposition. Bien que le carbone inorganique se trouve également dans le sol sous forme de minéraux carbonatés, le carbone organique constitue généralement la proportion la plus importante et le facteur le plus important de la biologie et de la qualité du sol.
Le ministère américain de l’Agriculture gère la base de données de caractérisation des sols du National Cooperative Soil Survey. Ces données ont été recueillies au fil des décennies, à la fois en marchant sur le terrain et en observant, et en déterrant des carottes et en les envoyant aux laboratoires pour analyse. La mesure du carbone organique du sol, par exemple, nécessite de creuser une carotte jusqu’à la zone racinaire, à environ 30 centimètres de profondeur pour obtenir un profil de couche arable et jusqu’à ce que la carotte touche le substrat rocheux pour obtenir un profil de sol complet.
L’échantillonnage du sol est également effectué dans d’autres régions du monde. Le Réseau international du carbone organique des sols englobe plus de 430 000 profils de sols, provenant du monde entier. Les scientifiques utilisent ces données pour créer des « cartes des sols » ou des estimations des caractéristiques des sols dans diverses régions. Une carte des sols bien connue est la base de données mondiale harmonisée sur les sols, développée par l’Organisation des Nations Unies pour l’alimentation et l’agriculture et ses collaborateurs. Un autre exemple est SoilGrids, soutenu par le Centre international de référence et d’information sur les sols aux Pays-Bas.
Des incohérences importantes existent dans les estimations du carbone organique du sol dans la base de données mondiale harmonisée sur les sols et dans SoilGrids. Sihi et son équipe ont cherché s’ils pouvaient résoudre ces incohérences dans les estimations américaines en trouvant des moyens plus efficaces d’augmenter les données d’échantillonnage du sol.
Les chercheurs ont divisé les États-Unis – comprenant les 50 États et Porto Rico – en 20 régions différentes et ont créé des modèles d’apprentissage automatique pour chaque région. Ils ont obtenu près de 50 000 échantillons de sol, allant de 30 centimètres à un mètre de profondeur, dans ces régions. Ils ont construit leurs algorithmes en utilisant ces échantillons de données sur le carbone organique du sol, correspondant à des emplacements précis du système d’information géographique.
Ils se sont également appuyés sur des données open source supplémentaires pour alimenter leurs modèles avec 36 variables environnementales, notamment des détails sur le climat, les caractéristiques topographiques du terrain, les propriétés biogéochimiques du sol et la quantité de végétation dans le paysage.
Une meilleure référence pour la modélisation des systèmes terrestres
Les résultats ont montré que la nouvelle méthode fournissait des estimations plus précises que la base de données mondiale harmonisée sur les sols et SoilGrids pour les 30 premiers centimètres du sol, où le carbone organique du sol le plus biologiquement actif a tendance à être concentré.
La nouvelle méthode a également révélé comment les effets des variables environnementales sur le carbone organique du sol varient selon les régions. Alors que le climat était le prédicteur le plus courant du carbone organique du sol dans la plupart des régions, l’indice de végétation avait tendance à être plus important dans les zones arides du sud-ouest. L’altitude était une variable clé dans les régions montagneuses ou comprenant un important delta fluvial.
Les chercheurs espèrent que d’autres appliqueront leur approche à d’autres pays et continents où suffisamment de données sur le terrain sont disponibles.
« La beauté de notre approche est qu’elle nous donne le pouvoir d’identifier les régions présentant une grande incertitude dans nos estimations, ce qui nous aide à orienter les futurs efforts d’échantillonnage », explique Sihi.
La prise en compte des variables environnementales augmente également la flexibilité du nouveau modèle à mesure que les températures mondiales augmentent en raison du changement climatique, provoquant un réchauffement des sols et une modification des régimes de précipitations. On ne sait toujours pas, note Sihi, si les sols continueront à servir de puits de carbone ou se transformeront en source de carbone.
« Pour comprendre comment le carbone du sol va évoluer dans un contexte de changement climatique, nous avons d’abord besoin d’estimations précises des niveaux actuels de carbone organique du sol et des principaux facteurs qui les influencent », explique Sihi. « Notre nouvelle estimation constitue une étape vers l’obtention de données de base plus précises afin d’améliorer les modèles du système terrestre pour le changement climatique. »
Les co-auteurs de la nouvelle estimation incluent Jitendra Kumar (Laboratoire national d’Oak Ridge), Samantha Weintraub-Leff (Réseau national de l’Observatoire écologique), Katherine Todd-Brown (Université de Floride) et Umakant Mishra (Laboratoires nationaux de Sandia).
Plus d’information:
Zhuonan Wang et al, Améliorer les mesures du carbone organique du sol à l’échelle continentale à l’aide de l’analyse de regroupement multivariée et de l’apprentissage automatique, Journal de recherche géophysique : Biogéosciences (2024). DOI : 10.1029/2023JG007702