Des physiciens et des pédologues du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l’Énergie se sont associés pour développer une nouvelle méthode permettant de trouver le carbone stocké dans le sol par les plantes et les microbes. Contrairement à toutes les méthodes précédentes, cette nouvelle technique permet de voir le carbone dans la terre sans creuser de trous ni prélever d’échantillons de sol, comme une radiographie du sol. Cette nouvelle méthode de mesure du carbone extrait de l’air promet d’être un outil important pour lutter contre le changement climatique et développer des formes d’agriculture plus respectueuses de l’environnement.
« Ce que cet instrument permet vraiment, ce sont des mesures répétées dans le temps », a déclaré Arun Persaud, physicien du Berkeley Lab et l’un des chefs de l’équipe. « Avec notre instrument, vous pouvez obtenir une mesure très précise et rapide du carbone total dans un acre de terre, sans perturber le sol ni nuire aux organismes qui y vivent. »
Une plante transfère du carbone dans le sol dans le cadre naturel de son cycle de vie. Les plantes respirent du dioxyde de carbone et expirent de l’oxygène (que nous, les animaux, respirons ensuite). Le carbone reste dans la plante, utilisé pour construire les molécules et les cellules dont elle a besoin pour vivre. Une grande partie de ce carbone finit par pénétrer dans le sol par les racines de la plante. Les microbes du sol captent ensuite ce carbone et le transforment en matière organique qui peut persister pendant des décennies, des siècles ou plus.
Les plantes et les microbes du sol jouent un rôle clé dans le cycle du carbone de la Terre, un cycle que les humains ont radicalement modifié. La combustion de combustibles fossiles réchauffe rapidement la planète. L’utilisation des terres par l’homme pour l’agriculture a appauvri la matière organique du sol, entraînant un énorme déficit de carbone dans le sol qui contribue également au changement climatique.
L’extraction de grandes quantités de carbone de l’atmosphère est un élément essentiel de pratiquement tous les plans visant à limiter le réchauffement climatique à 2 degrés Celsius ou moins. Ce besoin est à l’origine de la Carbon Negative Initiative de Berkeley Lab, qui vise à développer des technologies pour capturer, séquestrer et utiliser le dioxyde de carbone. Les plantes et les microbes sont des experts pour extraire le carbone de l’atmosphère – ils le font depuis des milliards d’années. Mais avant de pouvoir les exploiter pour aider à gérer le carbone atmosphérique, nous devons mesurer avec précision la quantité de carbone déjà enfermée dans le sol par le biais d’interactions plantes-microbes ou d’autres stratégies de gestion. Malheureusement, les techniques existantes pour tester la teneur en carbone du sol sont assez destructrices et sujettes aux erreurs à grande échelle.
« Nous avons une limitation majeure dans la compréhension et la quantification de la manière dont le carbone pénètre et persiste dans le sol en raison de la façon dont nous le mesurons », a déclaré Eoin Brodie, un scientifique du Berkeley Lab. « Généralement, nous prélevions une carotte de sol dans un champ et la rapportions au laboratoire. Ensuite, nous la brûlions et mesurions le carbone libéré. C’est extrêmement laborieux et coûteux de le faire, et vous ne le faites pas. Je ne sais même pas à quel point ces noyaux sont représentatifs. »
Brodie est directeur adjoint de la division des sciences du climat et des écosystèmes de Berkeley Lab et l’un des leaders du programme EcoSENSE, une composante du Centre d’intégration des programmes biologiques et environnementaux (BioEPIC) actuellement en développement. EcoSENSE vise à créer des suites de capteurs pour surveiller les impacts du climat et de la météo sur le fonctionnement de l’écosystème, et Brodie et ses collègues voulaient trouver une meilleure façon de mesurer le carbone dans le sol. La vaste expertise scientifique disponible au Berkeley Lab et un appel à propositions opportun sur les technologies de capteurs souterrains de l’Agence pour les projets de recherche avancée-Énergie (ARPA-E) du DOE ont conduit Brodie, Persaud et leurs collègues à faire équipe sur ce projet. « Ce qu’il a vraiment fallu, c’est la communication entre des programmes très différents au Berkeley Lab », a déclaré Brodie. « Nous avons pris conscience de cette technologie potentiellement utile dans la division Technologie des accélérateurs et physique appliquée (ATAP), et nous avons uni nos forces. » En fin de compte, l’équipe interdisciplinaire a reçu une subvention du programme ROOTS (Rhizosphere Observations Optimizing Terrestrial Sequestration) de l’ARPA-E, qui a permis ce travail.
La nouvelle méthode de mesure développée par l’équipe du Berkeley Lab élimine le besoin de creuser quoi que ce soit du sol. Au lieu de cela, l’appareil encore sans nom scanne le sol avec un faisceau de neutrons. Ensuite, un détecteur détecte la faible réponse du carbone et d’autres éléments du sol aux neutrons, ce qui lui permet de cartographier la distribution des différents éléments dans le sol avec une résolution d’environ cinq centimètres. Tout cela se passe au-dessus du sol, sans trous, sans noyaux et sans brûlure. « C’est comme donner au sol une IRM », a déclaré Persaud, qui est scientifique à l’ATAP. « Nous obtenons une image tridimensionnelle du sol et de la répartition du carbone dans celui-ci, ainsi que d’autres éléments comme le fer, le silicium, l’oxygène et l’aluminium, qui sont tous importants pour comprendre la persistance du carbone dans le sol. »
« Ce qui me passionne vraiment dans cette approche d’imagerie neutronique, c’est qu’elle nous permet d’imager efficacement et avec précision les distributions de carbone dans les sols aux échelles auxquelles la comptabilisation du carbone doit avoir lieu », a ajouté Brodie. « Et nous pouvons le faire à plusieurs reprises au cours des saisons de croissance, pour voir comment cela change avec différents climats et pratiques de gestion des terres. Vous pourriez éventuellement l’utiliser pour identifier quelles pratiques spécifiques de gestion des terres extraient plus efficacement le carbone de l’atmosphère et le stockent dans le sol. . »
« Cette nouvelle méthode de détection du carbone est un exemple de sortie des sentiers battus et de rassemblement de chercheurs d’horizons divers – ici les sciences physiques et les sciences de la terre – pour créer une nouvelle technologie répondant aux défis du changement climatique », a déclaré Cameron Geddes, directeur de l’ATAP.
À l’heure actuelle, le projet sort tout juste du laboratoire et Persaud, Brodie et leurs collègues sont sur le point de le tester bientôt dans de vrais sols dans un système extérieur. « Nous sommes vraiment ravis de tester cela sur le sol ici à Berkeley Lab après la saison des pluies », a déclaré Persaud.
« La prochaine étape consiste à rendre ce processus déployable sur le terrain et plus automatisé, afin qu’il puisse être intégré à des éléments tels que les moissonneuses-batteuses et les tracteurs, afin que cela fasse partie des capacités de détection que vous trouvez dans les fermes et à travers les forêts », a ajouté Brodie. « Il y a vraiment un potentiel énorme, énorme là-dedans. »
Mauricio Ayllon Unzueta et al, Un système d’imagerie de particules associées entièrement numérique pour la détermination 3D des distributions isotopiques, Examen des instruments scientifiques (2021). DOI : 10.1063/5.0030499