Evolution des pratiques agricoles, stockage du carbone dans les sols et émissions de gaz à effet de serre


 AHLeGall    28/04/2020 : 09:57

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Effet à court terme de l'application du lisier de porc et de son digestat sur les propriétés biochimiques des sols et les émissions de composés organiques volatils

Dans les écosystèmes fortement anthropisés tels que les agroécosystèmes, le carbone organique du sol provient, outre des litières déposées à la surface, des apports de matières organiques résiduaires issues des activités industrielles, urbaines et/ou agricoles. Ainsi, en France, nous assistons à un changement d’usage des terres agricoles allant vers un recyclage de ces différents types de déchets, qualifiés de produits résiduaires organiques (PRO), en fertilisants organiques. De plus, au sein des exploitations agricoles il existe un développement exponentiel de la méthanisation pour la production de biogaz à partir de ces PROs, ce processus produisant un résidu appelé digestat, pouvant être lui-même utilisé comme fertilisant organique des sols agricoles.

Cette fertilisation organique permet le recyclage de déchets organiques générés par les activités humaines et est proposée comme alternative aux engrais minéraux qui se raréfient et sont source de pollution. Cependant, il est important de déterminer les impacts environnementaux de ces pratiques culturales et notamment leurs effets sur le stockage du C dans les sols et les émissions de gaz à effet de serre (GES). Ainsi, lors de la dégradation de la matière organique du sol (MOS), en plus du dioxyde de carbone (CO2) et du méthane (CH4), il a récemment été montré que les microorganismes émettent des composés organiques volatiles (COVs) qui constituent une perte supplémentaire de C du sol vers l’atmosphère et jouent un rôle comme précurseurs de GES dans l’atmosphère. Il existe donc un intérêt à étudier les émissions de ces gaz dont les COVs associées à la décomposition microbienne de ces nouvelles sources de matières organiques que sont les PROs et leurs digestats. De plus, alors que la diversité et la quantité de ces gaz carbonés émis du sol vers l’atmosphère dépendent à la fois de la composition de la matière organique qui sera biodégradée et des communautés microbiennes du sol impliquées dans cette biodégradation (Insam and Seewald, 2010), il est important de déterminer dans quelle mesure ces deux composantes du sol sont modifiées par les épandages de PROs et de digestats.

Cette étude s’est intéressée aux effets de la fertilisation organique des sols par du lisier de porc et son digestat de méthanisation sur la matière organique et les communautés microbiennes actives du sol ainsi que les conséquences en termes d’émission de CO2 et de COVs. Pour cela, des chercheurs de trois UMRs de l’OSUR (ECOBIO, Géosciences Rennes et l’Institut de Physique de Rennes) se sont associés afin de mobiliser des compétences interdisciplinaires en biologie des sols, écologie microbienne, géochimie et physique des gaz moléculaires. Ces travaux se sont également appuyés sur la plateforme EcoChim de l’OSUR ainsi que sur le site EFELE du SOERE-PRO piloté par l’UMR SAS, elle-même associée à l’OSUR.

A partir d’une expérimentation en conditions contrôlées, nous avons montré que les apports de lisier de porcs avaient un effet immédiat plus important sur la matière organique du sol que ceux de son digestat. En effet, ils ont entrainé une augmentation de la proportion de composés phénoliques dans le sol. Ces molécules étant relativement récalcitrantes à la dégradation microbienne, l’augmentation de la teneur en carbone dissous dans le sol fertilisé avec le lisier de porcs était plus durable (au moins 30 jours) que dans le cas des apports de digestat.

Les deux PROs sont une source exogène de microorganismes et leurs apports entraînaient une augmentation immédiate de la biomasse microbienne. En analysant la réponse des communautés microbiennes actives dans les sols, nous avons observé que les communautés de champignons et d’archées étaient plus affectées dans leur composition que celle des bactéries (Figure 2). Ces différences proviennent probablement de la moindre abondance des champignons et des archées dans les sols agricoles et donc de plus grande sensibilité à l’inoculation de ces communautés présentes dans les PROs.

Malgré ces changements observés dans la matière organique et les communautés microbiennes du sol, les émissions de CO2 dans les différents traitements (sol sans apport et sols ayant reçu du lisier ou son digestat de méthanisation) n’étaient pas significativement différentes tout au long de l’incubation qui a duré 60 jours au total. Cependant, des changements ont été observés au niveau des émissions de COVs. Quelque soit le traitement, l’acétone, le 2-pentanone et le diméthylsulfide étaient les COVs majoritaires parmi ceux mesurés. Directement après les apports, le lisier de porcs entrainait une émission totale de COVs plus importante que son digestat mais cette différence ne se maintenait pas dans le temps. Cette expérimentation nous a également permis de mettre en évidence l’absence de lien qui peut exister entre la production de COVs par les microorganismes du sol lors de la dégradation de la matière organique et les émissions de COVs par les sols que nous avons mesurés. En effet, dans les sols, les COVs émis constituent une source de carbone pour les microorganismes qui peuvent alors les consommer. De plus, ces molécules organiques peuvent également être adsorbées dans le sol qui agit alors comme un puits de COV. Ces différents processus constituent donc un filtre entre la production des COVs par les microorganismes dans le sol et leur émission vers l’atmosphère.

Ce travail a mis en évidence des différences d’impacts des deux fertilisants sur certaines propriétés du sol et l’effet des digestats nécessite de plus larges études notamment sur le terrain. Au sein de l’OSUR, cette étude a permis d’initier une collaboration toujours d’actualité sur les émissions de COVs par les microorganismes du sol lors de la dégradation de la matière organique.

 

 

 

Cecile Monard Applied Soil Ecology Mars2020 Fig1
Figure 1 : Concentrations en carbone organique dissous (DOC par mL de lisier ou par g de sol sec – valeurs au dessus des cercles) et composition en acide gras, carbohydrates, lignine, composés phénoliques et methylindole de la matière organique extractible à l’eau (proportion de composés analysés) dans le lisier de porcs, son digestat de méthanisation et dans le sol de surface des microcosmes (0-10 cm de profondeur) ayant reçu de l’eau (control soil), du lisier de porcs (soil + PS) ou du digestat de lisier de porcs (soil + DPS) juste après (0), 30 et 60 jours après les apports.



Cecile Monard Applied Soil Ecology Mars2020 Fig2
Figure 2: Richesses des communautés microbiennes et proportions en bactéries, champignons et archées actifs dans le sol contrôle (bleu) et les sols ayant reçu du lisier de porcs (orange) ou du digestat  de lisier de porcs (vert) juste après les apports (0 day) et après 30 et 60 jours d’incubation.

 

Référence
Cécile Monard, Laurent Jeanneau, Jean-Luc Le Garrec, Nathalie Le Bris, Françoise Binet. Short-term effect of pig slurry and its digestate application on biochemical properties of soils and emissions of volatile organic compounds, Applied Soil Ecology, Elsevier, 2020, 147, pp.103376. doi.org/10.1016/j.apsoil.2019.103376


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