La distribution spatiale des pores aide à déterminer où le carbone est stocké dans le sol

Les sols stockent plus de carbone que toute la végétation à la surface de la Terre. Cependant, il reste encore de nombreuses questions sans réponse sur les processus précis qui favorisent l’accumulation dans le sol. Sous la direction du Centre Helmholtz pour la recherche environnementale (UFZ), une équipe de pédologues a développé une nouvelle méthode pour montrer où et dans quelles conditions le carbone est stocké dans le sol. Comme ils l’écrivent dans Communication Naturec’est principalement le réseau de pores du sol qui contrôle la distribution spatiale du carbone.

Dans le débat public sur la protection du climat, l’importance du sol est souvent oubliée. Cependant, les sols stockent considérablement plus de carbone à l’échelle mondiale que les forêts ou l’atmosphère. Le stockage à long terme du carbone peut être assez complexe. D’une part, cela dépend de la quantité de carbone atmosphérique pénétrant dans le sol par la croissance des racines, divers processus de mélange (par exemple, la culture du sol ou l’activité des vers de terre) et l’infiltration de composés organiques dissous. D’autre part, cela dépend si le carbone existant dans le sol peut être stabilisé ou s’il est décomposé par des bactéries et des champignons. Le processus le plus efficace (stockage ou décomposition) est principalement déterminé par la structure du sol (par exemple, la taille du réseau de pores qui aident à transporter l’air, l’eau et les nutriments).

« Le carbone stocké dans les résidus végétaux et l’humus n’est pas décomposé si les bactéries ou les hyphes fongiques sont plus grands que les pores du sol où il est stocké », explique le Dr Steffen Schlüter, physicien des sols à l’UFZ et auteur principal de l’étude. De plus, si les pores sont en permanence remplis d’eau et donc sans apport d’oxygène (par exemple dans les sols tourbeux intacts), les bactéries ont plus de mal à utiliser le carbone. « L’un des facteurs décisifs pour déterminer où le carbone est stocké dans le sol est donc la répartition spatiale des pores », explique Schlüter. Auparavant, il n’avait pas été possible d’étudier le schéma de distribution du carbone organique dans les pores de taille millimétrique et micrométrique.

Mais les scientifiques de l’UFZ ont maintenant réussi à le faire. Grâce à leur nouvelle méthode, ils peuvent localiser précisément le carbone dans le sol. Il est basé sur la coloration des composés organiques avec du tétroxyde d’osmium, qui s’infiltre sur les doubles liaisons contenant du carbone et est ensuite visualisé à l’aide de la tomodensitométrie (CT) à rayons X. En scannant l’échantillon de sol avant et après la coloration, les chercheurs peuvent déduire la distribution du carbone à partir des différences dans les images. Jusqu’à présent, cela n’était possible qu’avec l’aide de méthodes élaborées de CT synchrotron. Cependant, comme il n’y a que deux accélérateurs de particules de ce type en Allemagne, l’accès est sévèrement limité. En revanche, la tomodensitométrie par rayons X est plus répandue dans les instituts des sciences du sol en Allemagne.

La nouvelle approche facilite donc la recherche. « Vous ne pouvez normalement pas regarder à l’intérieur du sol. Mais cette innovation méthodologique nous permet de tirer des conclusions sur où et dans quelle mesure le carbone est enrichi dans le sol en fonction du système de pores et des matières organiques telles que les racines et la litière », explique le professeur Hans- Jörg Vogel, chef du Département des sciences du système des sols à l’UFZ. Cela fournit des informations importantes sur les processus dans le sol et donc aussi sur les conséquences qu’ils ont sur la stabilisation et la décomposition du carbone dans le sol.

À titre d’exemple, les pédologues ont testé leur méthodologie sur trois sites avec différents types de sol et différents régimes d’humidité : un site de Chernozem avec de faibles précipitations annuelles à la station de recherche UFZ de Bad Lauchstädt, un site de Luvisol à texture fine avec un engorgement saisonnier de l’eau dans le contreforts des Alpes et un site de Gleysol humide en permanence influencé par les eaux souterraines près de Gießen. Résultat : Au voisinage immédiat des pores (c’est-à-dire dans une marge de 50 à 100 micromètres), la concentration en carbone est plus faible que dans le reste du sol. Ceci est principalement dû au fait que l’activité microbienne diminue à mesure que l’on s’éloigne des pores.

« Ce modèle a été observé sur les trois sites quel que soit le régime d’humidité. La proximité du système de pores favorise donc la décomposition de la matière organique, et la distance à ces pores favorise la stabilisation du carbone dans la couche arable – la couche qui est particulièrement important pour l’agriculture », déclare Schlüter. En revanche, il existe des différences dans la teneur en carbone autour des matières organiques telles que les résidus végétaux. Dans un sol chernozem sec, le carbone diminue avec la distance aux résidus végétaux. Les bactéries et les champignons sont attachés aux résidus végétaux afin qu’ils puissent facilement atteindre le carbone et le métaboliser. Les produits de décomposition s’accumulent alors autour des résidus végétaux. Dans le Gleysol, c’était le contraire. Les scientifiques n’ont trouvé aucun enrichissement des produits autour des résidus végétaux. Une explication est que les produits de décomposition dissous sont plus facilement transportés sur de plus longues distances dans des conditions humides. « Le régime d’humidité influence fortement les schémas de stabilisation du carbone dans le sol car il contrôle l’étendue de la relocalisation du carbone des résidus végétaux dans le sol environnant », explique Schlüter.

La nouvelle approche méthodologique ouvre désormais des perspectives de recherche intéressantes telles que la répartition du carbone dans le sous-sol (c’est-à-dire les couches profondes du sol jusqu’à un mètre). Jusqu’à présent, il n’y a que des preuves circonstancielles que les schémas de distribution du carbone dans le sous-sol sont différents de ceux de la couche arable. C’est parce que ce dernier n’est pas influencé par le travail du sol et n’est pas si intensément mélangé par les animaux fouisseurs. Le carbone ne peut atteindre des couches plus profondes que par accumulation au niveau de quelques racines ou par diffusion de substances organiques dissoutes.

« Il serait passionnant d’en savoir plus sur ces processus. En raison du changement climatique et des fréquentes sécheresses qui en résultent dans la couche arable, les plantes manquent de plus en plus d’eau. L’importance du sous-sol pour la croissance des plantes augmente donc », déclare Vogel. Avec la nouvelle méthode, les chercheurs espèrent mieux comprendre les processus de stockage du carbone dans les couches profondes ainsi que les causes des différences de bilan carbone entre les différentes formes de gestion des terres (par exemple, l’utilisation des prairies et les cultures arables).