Importance de la prise en compte explicite de la contamination des sols dans les modèles mécanistiques de surface continentale

La contamination des sols, un facteur manquant dans la dynamique du carbone des sols des modèles de surface continentale

Cas d’étude du Cu La contamination des sols est-elle un paramètre à prendre en compte pour l’estimation de la respiration hétérotrophe par les modèles de surface continentale ? Cas d’étude du Cu En cours de soumission pour Global Change Biology Résumé en français : Les modèles de surface continentale sont des composantes importantes des modèles de système Terre utilisés pour estimer l’effet des émissions de gaz à effet de serre (GES) anthropiques sur le climat de la Terre. Cependant, en plus des changements d’utilisation des terres et des émissions directes de GES pris en compte dans ces modèles, les activités anthropiques sont également associées à l’émission et aux apports de contaminants. Or, malgré l’effet de la contamination sur les processus du sol (comme les émissions de GES), celle-ci n’est pas encore considérée comme un paramètre important à prendre en compte dans les modèles de surface continentale. Ici, nous avons cherché à évaluer l’importance de la contamination du sol dans les émissions de CO2 du sol sous la forme de la respiration hétérotrophe (Rh). Par conséquent, nous avons analysé, à l’échelle de l’Europe, si la contamination du sol peut expliquer les résidus de Rh modélisés à partir de 4 modèles de surface continentale par rapport aux produits de Rh dérivés d’observations. Nous avons utilisé un modèle mixte généralisé des moindres carrés (GLS) pour évaluer les principaux facteurs des résidus du modèle. Parmi les contaminants, nous nous sommes concentrés sur le Cu qui est largement utilisé dans l’industrie ou dans l’agriculture, provoquant une contamination diffuse sur de grandes surfaces. De plus, il a été montré que la Rh du sol et la disponibilité du Cu pour la faune du sol dépendaient fortement des paramètres pédologiques et climatiques du sol. Notre analyse a donc été complétée par l’inclusion des paramètres pédo-environnementaux et par l’analyse du Rh par rapport au Cu libre – un proxy du Cu biodisponible. Nos résultats montrent que le Cu est un paramètre non négligeable pouvant expliquer les inexactitudes dans la modélisation des Rh, que ce soit en considérant le Cu total ou le Cu libre. L’effet partiel du Cu s’est avéré aussi fort que d’autres facteurs pédologiques tels que l’argile ou le pH et dans certains cas que la température pour expliquer les résidus des modèles. Lorsque le Cu (total ou libre) a été jugé significatif, la différence entre Rh modélisé et observé s’est avérée augmenter avec l’augmentation de la concentration de Cu dans le sol pour des concentrations en Cu modérées à élevées et diminuer pour les plus élevées. Le seuil de Cu auquel les tendances des différences entre le Rh modélisé et observé s’inverse s’est cependant avéré différent selon les modèles et les produits d’observation considérés. 112 Conclusion intermédiaire (4) : Le chapitre III.1 est basé sur des estimations statistiques de la respiration des sols (Rh) et des concentrations en Cu. Cela a permis de mettre en évidence que la contamination au Cu en Europe, non prise en compte dans les modèles de surface continentale pouvait expliquer une partie significative de l’erreur de modélisation des flux de Rh de ces modèles. La prise en compte du Cu sous sa forme de Cu libre au chapitre III.1 n’a pas permis d’améliorer les capacités prédictives des modèles par rapport à la considération conjointe d’un effet du pH et d’un effet de la concentration en Cu. Les chapitres III.2 et III.3, basés sur des mesures de laboratoire où les concentrations en Cu et les valeurs de Rh ont été systématiquement mesurées visent à affiner la modélisation prédictive d’un effet du Cu sur Rh et sur les émissions d’espèces azotées des sols par la détermination d’équations. Le chapitre III.2 concerne les interactions schématisées ci-dessous III.2 La contamination en cuivre des sols affecte-t-elle leurs émissions de CO2 ? Etude bibliographique Accepté dans Frontiers Résumé en français : Les sols contaminés sont très répandus et l’on sait que la contamination a un impact sur plusieurs processus biotiques du sol. Cependant, on ne sait toujours pas dans quelle mesure la contamination du sol affecte l’efflux de carbone du sol (CO2) dû à la respiration de la microfaune du sol. Du fait des grands stocks de carbone organique (Corga) stockés dans les sols, même des changements limités dans les flux sortants peuvent modifier substantiellement la concentration de CO2 atmosphérique et avoir des rétroactions importantes sur le climat. Dans cette étude, nous avons cherché à évaluer et à quantifier l’impact d’une contamination du sol sur sa respiration. Pour cela, nous avons effectué une 113 revue quantitative de la littérature en nous concentrant sur i) les mesures de respiration hétérotrophe du sol, excluant ainsi la respiration autotrophe des plantes, ii) la contamination du sol par le cuivre, et iii) l’influence des paramètres pédo-climatiques tels que le pH, la teneur en argile ou le type de climat. Sur la base de 389 données ainsi récupérées, nous avons montré une diminution des émissions de CO2 du sol avec une augmentation de la contamination en cuivre du sol. Les données spécifiques provenant d’expériences de contamination ex-situ ont pu être facilement différenciées de celles provenant de la contamination in-situ en raison de la diminution plus marquée de la minéralisation de Corga dans ces sols. Grâce aux données des contaminations ex-situ nous avons pu déterminer un seuil dans les teneurs en Cu du sol affectant les émissions de CO2 : les émissions de CO2 augmentent pour des apports inférieurs à 265 mgCu.kg-1 de sol et diminuent au-dessus de cette concentration. Les données sur les contaminations in situ de long terme dues aux activités anthropogéniques (industrialisation, agriculture, …) ont également montré un impact sur la minéralisation du carbone du sol, en particulier pour les contaminations industrielles (fonderie, boues d’épuration, …) où les émissions de CO2 diminuent lorsque la contamination en Cu augmente. Le pH du sol a été identifié comme étant un facteur significatif dans l’effet du Cu sur les émissions de CO2. En effet, la minéralisation du carbone du sol s’est avérée plus sensible à la contamination par le Cu dans les sols acides que dans les sols neutres ou alcalins. Inversement, la teneur en argile et le type de climat n’expliquent pas de manière significative les effets du Cu sur la minéralisation du carbone dans le sol. Enfin, les données recueillies ont été utilisées pour proposer une équation empirique quantifiant l’effet d’une contamination au Cu sur la respiration du sol. La diminution des émissions de CO2 du sol ne peut cependant pas se traduire comme un effet « puit de carbone » car elle s’accompagne d’une diminution de la biomasse microbienne du sol.