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L’initiative « 4 pour 1000 » a été lancée à l’issue de la COP21, avec l’objectif d’augmenter les stocks mondiaux de matières organiques dans les sols de 4 pour 1000 (ou 0,4 %) chaque année pour compenser une partie des émissions anthropiques mondiales de gaz à effet de serre et pour accroître la sécurité alimentaire. Ces dernières années plusieurs études ont mis en avant qu’un des principaux levierspermettant d’atteindre cet objectif était l’allongement de la durée de couverture des sols via la modification des rotations culturales et l’introduction ou l’expansion des cultures intermédiaires. Toutefois, les données permettant de caractériser la durée de couverture du sol et son évolution en fonction des politiques publiques font actuellement défaut. Aussi ces études mettent en évidence la nécessité de (i) mieux de caractériser le temps de couverture des sols agricoles et (ii) la relation entre le temps de couverture du sol et le stockage de carbone pour estimer à la fois la fixation nette actuelle de CO2 atmosphérique de ces surfaces mais aussi leur potentiel de stockage additionnel. De ce fait, les objectifs de ce projet étaient 1) de quantifier la durée de couverture du sol par de la végétation active à une échelle parcellaire sur l’ensemble de la France pour différentes années culturales et sur différentes zones du globe à partir des donnéessatellitales Sentinel-2, 2) d’estimer la fixation nette annuelle de CO2 de ces parcelles en s’appuyant sur la relation établie par Ceschia et al. (2010) entre durée de couverture des sols par de la végétation active et fixation nette de CO2 pour les grandes cultures en Europe et enfin 3) de réexploiter les données de l’étude « Stocker du carbone dans les sols français – Quel potentiel et à quel coût » obtenues via des simulation du modèle de culture STICS pour, d’une part, explorer les liens entre la durée de couverture du sol et le stockage de carbone dans les sols et d’autre part, vérifier à partir de ces simulations si les estimations faites à partir de l’approche par télédétection concordent avec les simulations STICS. Tout d’abord, un outil de quantification des durées de couverture du sol à large échelle et haute résolution a été développé à partir du logiciel IOTA2, des algorithmes développés dans le cadre du projet Européen NIVA et des données satellitales Sentinel 2. Malgré sa simplicité, cet outil nous a permis non seulement de quantifier les durées de couverture du sol à haute résolution mais aussi d’estimer les flux nets annuel de CO2 des principales grandes cultures sur l’ensemble de la France. Une version améliorée prenant aussi en compte certaines variables climatiques (rayonnement solaire, température) a en outre été développée et elle a pu être testée sur plusieurs zones dans le monde grâce aux données de télédétection Sentinel 2 qui ont une couverture globale. L’indicateur a montré une bonne cohérence 1) avec les pratiques connues sur le terrain comme la mise en œuvre de cultures intermédiaires (ex. en Bretagne ou en Géorgie) et 2) avec les simulations réalisées avec le modèle STICS même si cet exercice de comparaison mériterait d’être refait avec des données d’enquêtes culturales plus récentes. C’est donc une approche qui peut facilement être mise en œuvre pour produire un indicateur lié au bilan de C des grandes cultures (par exemple dans une optique de versement de primes environnementales pour la PAC). Elle permet aussi d’identifier ’effet de certaines pratiques agricoles sur les flux nets annuels de CO2 (type de cultureet leur utilisation, présence de cultures intermédiaires) et d’observer l’impact de la règlementation (ex. Directive nitrates). Cependant cette approche ne permet pas de prendre en compte l’effet de l’ensemble des pratiques sur les bilans de C des parcelles. Pour ce faire, il faudrait intégrer au calcul de l’indicateur des données relatives aux récoltes et aux amendements organiques (ce qui correspond à la méthode TIER 2 du projet NIVA). C’est cette méthode qui serait à privilégier dans le cadre d’un financement des agriculteurs en fonction de la quantité de carbone qu’ils stockent. L’approche a toutefois montré ses limites dans les zones à fort ennuagement comme en Belgique ou au Brésil. Pour une production opérationnelle à l’échelle globale, il serait donc nécessaire d’utiliser des données satellitales radar (ex. Sentinel-1) en complément des données optiques Sentinel-2. L’utilisation des données Sentinel-1 pour interpoler de manière opérationnelle les trous dans les séries temporelles de NDVI issues de Sentinel-2 est d’ailleurs explorée par plusieurs unités de recherches. Ce n’est donc probablement qu’une question de temps avant que l’approche mise en œuvre dans le cadre de SOCCROPpuisse être appliquée de manière plus opérationnelle à l’échelle globale en s’appuyant sur l’utilisation combinée des données Sentinel 1 et 2. Rappelons toutefois que les coûts de mise en œuvre, les temps de calculs et le volume de stockage de données qui seraient nécessaire pour une application à échelle globale sont abordables uniquement pour quelques très grosses entreprises du numérique, pour certaines agences spatiales, ou agences pluri-étatiques (ex. services Copernicus de l’Europe).

Many metaphors are used to talk about soil. These different metaphors found in scientific literature or in communication do not represent the same dimensions of soil reality. Far from being neutral, they are active, acting on our way of seeing the subject, and orienting practices. We have identified three main families of soil metaphors. For each metaphor, we indicate how it presents soils and the questions it raises. We invite the reader to answer or complete metaphors.; De nombreuses métaphores sont utilisées pour parler du sol. Ces différentes métaphores que l’on rencontre dans la littérature scientifique ou dans sa communication ne représentent pas les mêmes dimensions de la réalité pédologique. Loin d’être neutres, elles sont actives, agissant sur notre façon de voir le sujet, et d’orienter les pratiques. Nous avons identifié trois principales familles de métaphores telluriques. Nous indiquons pour chaque métaphore, comment elle présente les sols et les questions que cela pose. Nous invitons le lecteur à répondre ou compléter.

The methane is one of the most powerful greenhouse gases in the atmosphere, with the carbon dioxyde and the water vapour. At the global scale, most of natural methane emissions come from high latitude wetlands and permafrosts. These regions accounts for a large part of terrestrial carbon stocks. In a climate change context, their future is highly uncertain, like the associated greenhouse gas emissions. Understanding the biogoechemical processes leading to methane fluxes and their interactions with surface processes is therefore important. One of the objectives of this thesis is to represent methane fluxes from these regions within the land surface model ISBA. To do so, we developped a biogeochemical model that represents explicitely gases, their production, consumption and transport within the soil column. This model is coupled with a new dynamic soil carbon model, vertically discretized, also developed during this thesis. The new biogeochemical model represents correctly methane and carbon dioxyde fluxes on three distinct arctic sites, with or without permafrost. The representation of underground biogeochemical processes is also satisfying. Nevertheless, some parameters remain uncertain and the model is very sensitive to hydrological conditions. We also measured soil carbon stocks and profiles in one of the Greenlandic studied fen. Comparing these stocks and profiles with the modelled carbon stocks shows some shortcomings of the new discretized soil carbon model : CENTURY original structure and parametrisation is not perfectly suited for high-latitudes wetlands, and the representation of carbon vertical dynamics needs improvements.; Le méthane est l'un des plus puissants gaz à effets de serre présent dans l'atmosphère, avec le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau. A l'échelle globale, la majorité des émissions naturelles de méthane proviennent des zones humides et des pergélisols de haute latitude. Ces zones sont un réservoir important de carbone et dans un contexte de changement climatique, leur devenir est fortement incertain, ainsi que les émissions de gaz à effet de serre associées. Il est ainsi important de comprendre les processus biogéochimiques responsables des flux de méthane vers l'atmosphère, et leurs interactions avec les processus de surface. Un des objectifs de cette thèse est d'intégrer au modèle de surface continentale ISBA une représentation des flux de méthane. Pour ce faire, nous avons développé un modèle biogéochimique représentant explicitement les gaz dans le sol et les processus de production, consommation et transport associés. Ce module est couplé à un nouveau modèle dynamique de carbone du sol basé sur CENTURY, discrétisé verticalement, également développé lors de cette thèse. Le nouveau modèle biogéochimique représente correctement les flux de méthane et de dioxyde de carbone sur trois sites arctiques distincts, pergélisolés ou non. La représentation des processus biogéochimiques sous-terrains est également satisfaisante. Certains paramètres restent cependant incertains, et le modèle est trés sensible aux conditions hydrologiques. Nous avons également réalisé des mesures de carbone sous-terrain sur un des trois sites étudiés, situé au Groenland. La comparaison des stocks et profils de carbone mesurés avec les résultats du nouveau modèle discrétisé mettent en évidence certaines insuffisances de ce dernier : la paramétrisation et la structure originale de CENTURY ne semble pas adaptée aux zones humides arctiques, et la représentation de la dynamique verticale du carbone nécessite des améliorations.

The methane is one of the most powerful greenhouse gases in the atmosphere, with the carbon dioxyde and the water vapour. At the global scale, most of natural methane emissions come from high latitude wetlands and permafrosts. These regions accounts for a large part of terrestrial carbon stocks. In a climate change context, their future is highly uncertain, like the associated greenhouse gas emissions. Understanding the biogoechemical processes leading to methane fluxes and their interactions with surface processes is therefore important. One of the objectives of this thesis is to represent methane fluxes from these regions within the land surface model ISBA. To do so, we developped a biogeochemical model that represents explicitely gases, their production, consumption and transport within the soil column. This model is coupled with a new dynamic soil carbon model, vertically discretized, also developed during this thesis. The new biogeochemical model represents correctly methane and carbon dioxyde fluxes on three distinct arctic sites, with or without permafrost. The representation of underground biogeochemical processes is also satisfying. Nevertheless, some parameters remain uncertain and the model is very sensitive to hydrological conditions. We also measured soil carbon stocks and profiles in one of the Greenlandic studied fen. Comparing these stocks and profiles with the modelled carbon stocks shows some shortcomings of the new discretized soil carbon model : CENTURY original structure and parametrisation is not perfectly suited for high-latitudes wetlands, and the representation of carbon vertical dynamics needs improvements.; Le méthane est l'un des plus puissants gaz à effets de serre présent dans l'atmosphère, avec le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau. A l'échelle globale, la majorité des émissions naturelles de méthane proviennent des zones humides et des pergélisols de haute latitude. Ces zones sont un réservoir important de carbone et dans un contexte de changement climatique, leur devenir est fortement incertain, ainsi que les émissions de gaz à effet de serre associées. Il est ainsi important de comprendre les processus biogéochimiques responsables des flux de méthane vers l'atmosphère, et leurs interactions avec les processus de surface. Un des objectifs de cette thèse est d'intégrer au modèle de surface continentale ISBA une représentation des flux de méthane. Pour ce faire, nous avons développé un modèle biogéochimique représentant explicitement les gaz dans le sol et les processus de production, consommation et transport associés. Ce module est couplé à un nouveau modèle dynamique de carbone du sol basé sur CENTURY, discrétisé verticalement, également développé lors de cette thèse. Le nouveau modèle biogéochimique représente correctement les flux de méthane et de dioxyde de carbone sur trois sites arctiques distincts, pergélisolés ou non. La représentation des processus biogéochimiques sous-terrains est également satisfaisante. Certains paramètres restent cependant incertains, et le modèle est trés sensible aux conditions hydrologiques. Nous avons également réalisé des mesures de carbone sous-terrain sur un des trois sites étudiés, situé au Groenland. La comparaison des stocks et profils de carbone mesurés avec les résultats du nouveau modèle discrétisé mettent en évidence certaines insuffisances de ce dernier : la paramétrisation et la structure originale de CENTURY ne semble pas adaptée aux zones humides arctiques, et la représentation de la dynamique verticale du carbone nécessite des améliorations.

Root quality is one of the main drivers of fine root decomposition, an important process controlling soil carbon (C) and nutrient cycling in most terrestrial ecosystems. Root quality is defined by chemical and morphological traits, which differ across species and thus communities. This trait variation is assumed to follow a trade-off between resource acquisition and conservation (i.e. the root economics spectrum). To what extent root quality or the economics spectrum influence fine root decomposition rates at the community level remains poorly understood, particularly within the context of land use change. Changes in land use induce shifts in plant community composition, which also affect root distribution within the soil profile, resulting in changes in root quality. We hypothesize that at the community level, i) root decomposability is driven by community root functional parameters (i.e. root traits measured at the community level), ii) changes in root functional parameters among land use types and with soil depth translate into changes in root decomposability. We collected shallow and deep fine roots (< 2 mm) from 20 plant communities across contrasting land use types in 7 sites worldwide, ranging from agricultural crops to natural forests and determined their decomposition rate in standard conditions. Fine root quality was related to known values of functional parameters for these communities, including carbon (C), nitrogen (N) and lignin concentrations. A combination of chemical functional parameters (lignin, C and N concentrations) best explained root decomposition rates at the community level, whereas root economics remained a poorer predictor of decomposability rates. Among land use gradients, roots from agricultural and agroforestry communities decomposed faster than roots from forest sites. Across and within plant communities, a consistently greater decomposability in shallow roots was observed. Both land use and depth effects were explained by changes in root chemical traits at the community level. Synthesis. Our results suggest that the conversion of plant communities from forests to agricultural lands leads to changes in root functional parameters, that drastically increase root decomposition rates and may lead to major soil C losses, especially in shallow soil layers.

Heterotrophic microorganisms control soil organic matter (SOM) decomposition and may thus have a key importance in climate regulation. Heterogeneous abiotic conditions in soil microenvironments are thought to affect soil decomposers activity by controlling nutrient accessibility through solute transport (diffusion, advection) and sorption processes. Microhabitat – or pore – scale thus appears relevant to study biodegradation processes, but is also challenging to investigate by experimental means.A discrete model was created to explore the effect of abiotic conditions in soil microenvironments on biodegradation kinetics. It results from the coupling of a zero-dimensional soil carbon model and a lattice Boltzmann model (TRT-LBM [Ginzburg, 2005]). It simulates diffusion and biodegradation at the pore scale, as affected by explicitly described structural factors, such as the 3D pore architecture (approximated by discrete images), water distribution under unsaturated conditions and the spatial arrangement of substrates and decomposers – viewed here as immobile bacteria. The model was tested in a range of scenarios depicting contrasted abiotic conditions. The variability in biodegradation kinetics was analyzed to infer the contributions of physical factors. This source of variability was compared to uncertainties associated to biological metabolism description. Finally, experiments manipulating structural factors were performed to confront observed and simulated trends.; L’activité des microorganismes hétérotrophes contrôle la vitesse de décomposition de la matière organique du sol (MOS) et pourrait donc être déterminante dans la régulation du climat. La forte hétérogénéité spatiale des conditions abiotiques dans le sol est supposée influencer cette activité, en régulant notamment l’accessibilité des nutriments aux décomposeurs via des processus de transport (diffusion, convection) et de rétention (adsorption). L’échelle des microhabitats – soit celle des pores – apparaît donc pertinente pour étudier les processus de biodégradation dans le sol. Elle reste cependant inhabituelle à cause de difficultés expérimentales qui lui sont associées.Un modèle spatialisé a été construit pour explorer les effets de conditions abiotiques hétérogènes dans les microenvironnements du sol sur la cinétique de biodégradation de substrats carbonés par des microorganismes – représentées ici par des bactéries immobiles. Il résulte du couplage entre un modèle de Boltzmann sur réseau (TRT-LBM [Ginzburg, 2005]) et un modèle biogéochimique de carbone. Il calcule des processus de transport – diffusion – et de biodégradation à l’échelle des pores, dans des milieux hétérogènes dont certaines propriétés structurales sont explicitement décrites, telles que l’architecture de la porosité (implémentée sous la forme d’images discrètes), la distribution de l’eau à saturation partielle et l’arrangement spatial des substrats et des décomposeurs – représentés ici par des bactéries immobiles. L’influence de ces différents facteurs a été évaluée en analysant la variabilité de la cinétique de biodégradation pour une gamme de scénarios décrivant des conditions abiotiques contrastées. Cette source de variabilité a pu être comparée aux incertitudes relevant de la description du métabolisme microbien. Enfin, des expérimentations manipulant la structure de milieux hétérogènes ont été réalisées pour confronter tendances simulées et observées.

Heterotrophic microorganisms control soil organic matter (SOM) decomposition and may thus have a key importance in climate regulation. Heterogeneous abiotic conditions in soil microenvironments are thought to affect soil decomposers activity by controlling nutrient accessibility through solute transport (diffusion, advection) and sorption processes. Microhabitat – or pore – scale thus appears relevant to study biodegradation processes, but is also challenging to investigate by experimental means.A discrete model was created to explore the effect of abiotic conditions in soil microenvironments on biodegradation kinetics. It results from the coupling of a zero-dimensional soil carbon model and a lattice Boltzmann model (TRT-LBM [Ginzburg, 2005]). It simulates diffusion and biodegradation at the pore scale, as affected by explicitly described structural factors, such as the 3D pore architecture (approximated by discrete images), water distribution under unsaturated conditions and the spatial arrangement of substrates and decomposers – viewed here as immobile bacteria. The model was tested in a range of scenarios depicting contrasted abiotic conditions. The variability in biodegradation kinetics was analyzed to infer the contributions of physical factors. This source of variability was compared to uncertainties associated to biological metabolism description. Finally, experiments manipulating structural factors were performed to confront observed and simulated trends., L’activité des microorganismes hétérotrophes contrôle la vitesse de décomposition de la matière organique du sol (MOS) et pourrait donc être déterminante dans la régulation du climat. La forte hétérogénéité spatiale des conditions abiotiques dans le sol est supposée influencer cette activité, en régulant notamment l’accessibilité des nutriments aux décomposeurs via des processus de transport (diffusion, convection) et de rétention (adsorption). L’échelle des microhabitats – soit celle des pores – apparaît donc pertinente pour étudier les processus de biodégradation dans le sol. Elle reste cependant inhabituelle à cause de difficultés expérimentales qui lui sont associées.Un modèle spatialisé a été construit pour explorer les effets de conditions abiotiques hétérogènes dans les microenvironnements du sol sur la cinétique de biodégradation de substrats carbonés par des microorganismes – représentées ici par des bactéries immobiles. Il résulte du couplage entre un modèle de Boltzmann sur réseau (TRT-LBM [Ginzburg, 2005]) et un modèle biogéochimique de carbone. Il calcule des processus de transport – diffusion – et de biodégradation à l’échelle des pores, dans des milieux hétérogènes dont certaines propriétés structurales sont explicitement décrites, telles que l’architecture de la porosité (implémentée sous la forme d’images discrètes), la distribution de l’eau à saturation partielle et l’arrangement spatial des substrats et des décomposeurs – représentés ici par des bactéries immobiles. L’influence de ces différents facteurs a été évaluée en analysant la variabilité de la cinétique de biodégradation pour une gamme de scénarios décrivant des conditions abiotiques contrastées. Cette source de variabilité a pu être comparée aux incertitudes relevant de la description du métabolisme microbien. Enfin, des expérimentations manipulant la structure de milieux hétérogènes ont été réalisées pour confronter tendances simulées et observées.

International audience; Afin de prévoir la capacité des sols à séquestrer du carbone, en réponse aux changements climatiques ou aux changements d’utilisation, nous avons estimé les flux et la distribution des temps de résidence du carbone dans les sols cultivés français. Nous avons utilisé les abondances naturelles en isotopes 13C et 14C pour mesurer cette distribution dans des expérimentations agricoles en maïs de longue durée en France. Les trois quarts du carbone du sol y ont un temps moyen de résidence de 40 ans. Les fractions granulométriques grossières contiennent la majeure partie du carbone à durée de vie plus courte. La datation au carbone 14 des matières organiques permet d’introduire un compartiment de carbone sable. Les restitutions végétales souterraines stockent autant de carbone que les restitutions aériennes. L’effet de la température sur la minéralisation du carbone du sol se traduit uniquement par une modification des constantes de vitesses, avec un Q10 de 3.1 constant dansl’intervalle 1–25°C. Ces données, synthétisées dans un modèle simple, permettent de prévoir un effet faible ou nul des changements climatiques globaux sur le stockage net de carbone dans les sols. Le mode d’occupation du sol aura en France une influence sur la séquestration de carbone plus importante que celle des changements atmosphériques.; In order to predict the potential of soils to store carbon in response to land use or climate changes, we measured the fluxes and distribution of residence times of C in French cultivated soils. We used the natural abundances in 13C and 14C to measure this distribution in long-term experiments of maize cultivation in France. 75% of the topsoil carbon had a mean residence time of 40 yr. Coarse particle-size fractions contained most of the younger carbon. A compartment of stable C was estimated using radiocarbon dating. Belowground plant material inputs stored as much as C as aboveground inputs. The effect of temperature on soil carbon mineralization affected only rate constants, with a Q10 = 3.1 constant in the range 1–25°C. The data were summerized in a simple simulation model, which predicted a nil or low effect of climatic change on soil carbon storage in the next50 yr. In France, land use changes will have more influence than atmospheric changes on C storage.