Le Courrier de l'environnement n°35, novembre 1998

le rôle régulateur du sol dans le changement climatique

La composition de l'atmosphère terrestre évolue de façon incontestable et accélérée depuis deux siècles
Les sols sont impliqués dans la régulation de la composition de l'atmosphère
Quel est l'impact prévisible de l'évolution de la composition atmosphérique sur le climat
Le changement climatique modifie le fonctionnement des sols et de la végétation
Peut-on jouer sur le fonctionnement des sols dans une stratégie de maîtrise du climat ?
L'état des connaissances sur le rôle régulateur du sol dans l'évolution du climat permet de tirer plusieurs conclusions :

Références bibliographiques


Du 20 au 26 août 1998 s'est tenu à Montpellier le Congrès mondial de science du sol ; 2 700 scientifiques du monde entier ont fait le point sur l'état des connaissances concernant le fonctionnement des sols, leurs rôles dans la biosphère, leur évolution en lien avec les pratiques agricoles, l'évaluation des conséquences de ces évolutions sur l'agriculture et le milieu vivant. Un des 45 symposiums, intitulé Sols et changement climatique, a porté sur les travaux en cours concernant le rôle des sols dans l'évolution prévisible du climat, d'une part, et les éventuelles modifications du climat sur le fonctionnement des sols, d'autre part. Dans le cadre des réflexions sur la préservation des sols et sur l'évolution de l'agriculture, il apparaît important d'intégrer différents éléments concernant l'évolution climatique :
- ce qui apparaît établi de façon fiable au niveau de la composition de l'atmosphère ;
- ce qui apparaît plus spéculatif et qui peut donner lieu à différents scénarios quant à l'évolution du climat et à ses retombées sur l'agriculture ;
- ce qui concerne le rôle que peuvent jouer les modes de gestion des sols et l'agriculture dans la régulation de la composition de l'atmosphère.

[R] La composition de l'atmosphère terrestre évolue de façon incontestable et accélérée depuis deux siècles

Parmi les éléments régulateurs du climat à la surface de la terre, la composition de l'atmosphère joue un rôle particulièrement important dans les échanges de chaleur et d'énergie. Deux phénomènes climatiques ont particulièrement retenu l'attention ces dernières années : l'altération de la couche d'ozone stratosphérique qui conduit à une diminution de son effet protecteur contre le rayonnement ultraviolet, et l'accentuation de l'effet de serre qui entraîne un réchauffement de l'atmosphère terrestre : ces deux phénomènes peuvent être considérés comme globalement indépendants, même si certains composés gazeux tels que les hydrocarbures halogénés ou le protoxyde d'azote sont impliqués dans les deux cas. Sans considérer pour partie négligeable l'altération de la couche d'ozone, qui fait l'objet d'un suivi très régulier et dont la progression des effets est évaluée dans les terres émergées proches des deux pôles, nous avons centré notre attention sur l'effet de serre dont dépend la température à la surface du globe.
L'effet de serre résulte du réchauffement des couches de l'atmosphère par le rayonnement infrarouge émis par le sol à partir de l'absorption du rayonnement solaire incident. Déjà à la fin du siècle dernier, Arrhénius avait calculé que, sans ce réchauffement des couches de l'atmosphère, la température moyenne à la surface du globe serait de -18°C, c'est-à-dire impropre au milieu vivant que nous connaissons, alors que grâce à cet effet de serre elle était en moyenne de +15°C ; c'est l'accroissement de ce réchauffement qui aujourd'hui pose problème. L'intensité de ce réchauffement dépend de la quantité de vapeur d'eau (quasi constante) et de la concentration en différents gaz-traces dont la concentration peut être variable et dépend essentiellement de l'activité humaine (tab. I) : le gaz carbonique (CO2), le méthane (CH4), le protoxyde d'azote (N2O), les fréons (CFC) et autres produits gazeux carbonés halogénés.

Tableau I. Principaux gaz à effet de serre affectés par l'activité humaine
(IPCC, 1995) ; ppmv, ppbv et pptv : respectivement partie par million (ml/l), par milliard (billion) (nl/l), par trillion ou million de millions (pl/l), en volume ; la contribution au forçage radiatif, est exprimée en W/m2 et en % de l'effet de l'ensemble des gaz mentionnés.

CO2
CH4
N2O
CFC-12
HCFC-22
substitut des CFC
CF4
(perfluoro carbone)
Concentration
pré-industrielle
Concentration en
1992
Augmentation
annuelle au cours
des années 80-90
Durée de vie (années)
280 ppmv

355 ppmv

1,5 ppmv /an
0,4%/an
50-200
700 ppbv

1714 ppbv

13 ppbv /an
0,8%/an
12-17
275 ppbv

311 ppbv

0,75 ppbv /an
0,25%/an
120
0

503 pptv

18-20 pptv /an
4%/an
102
0

105 pptv

7-8 pptv /an
7%/an

13,3
0

70 pptv

1,1-1,3 pptv /an
2%/an

50000
Contribution estimée
au forçage radiatif
1,56 W m-2
63,7%

63,7 % 0,47 m-2
19,2%

19,2 % 0,14 W m-2
5,7%

5,7 % 0,14 W m-2
5,7 %

= 0,08 W m-2

3,2%



Les émissions de fréons et autres composés carbonés halogénés sont d'origine industrielle ; l'usage de ces composés a été fortement réduit après les accords de Montréal (1992), même si des progrès restent encore à accomplir, comme la suppression du bromure de méthyle utilisé en désinfection des sols.
Le gaz carbonique est de loin le principal gaz à effet de serre (GES) ; sa contribution évaluée par l'indice de forçage radiatif (1) est proche des deux tiers de celle de l'ensemble des gaz émis (hors vapeur d'eau). Son augmentation au cours des 2 derniers siècles a été de 27% et s'est accélérée au cours du dernier demi siècle (fig. 1, ci-après). Pour stabiliser sa concentration au niveau actuel, on estime qu'il faudrait réduire ses émissions de deux tiers !
Le méthane a une concentration beaucoup plus faible que le gaz carbonique mais a une capacité d'absorption du rayonnement infrarouge environ 30 fois supérieure pour un même volume ; au cours des 2 derniers siècles, sa concentration dans l'atmosphère a plus que doublé. La concentration en N2O n'a augmenté que de 13%, mais cette augmentation n'est tangible que depuis un demi siècle et l'effet de serre de ce gaz est de 200 fois celui du gaz carbonique à volume égal.

[R] Les sols sont impliqués dans la régulation de la composition de l'atmosphère

L'une des préoccupations des scientifiques est d'évaluer la contribution des sols à ces émissions gazeuses et d'en comprendre la régulation de façon à définir s'il est possi-ble de les modifier. L'une des sources impor-tantes de CO2 est la diminution du stock de carbone organique des sols consécu-tive à la mise en culture et aux prati-ques intensives de travail du sol (prairie amé-ricaine de-puis un siècle et demi, trans-formation de prairies en sols cultivés chez nous, et plus récemment dé-forestation et mise en culture de sols tropi-caux et équatoriaux). Les estimations actuelles éva-luent à 7,1 Gt (gigatonnes, ou milliards de tonnes) les émis-sions annuelles de car-bone sous forme de CO2, dont 1,6 Gt (22,5%) sont dues à la déforestation et au change-ment d'usage des sols en zones tropicales, le reste étant attribué à la combus-tion des carburants fossiles.

Figure 1. Concentrations atmosphériques en gaz carbonique au cours du dernier millénaire
mesurées à partir des prélèvements de la calotte glaciaire (D47, D57, Siple et Pôle sud) et depuis 1958 à partir du site de mesure Mauna Loa à Hawaii (IPCC, 1995).
En abcisses : années ; en ordonnées (échelles de gauche) : concentration en CO2 (ppmv).

Figure 2. Évolution du carbone organique du sol
dans un essai de longue durée sur un site représentatif du Midwest des États-Unis (Buyanovsky et Wagner, 1998).En abscisse : années ; en ordonnées : carbone organique du sol en kg/m2.

De ces estimations globales, il ressort qu'actuellement les sols des zones tempérées ont plutôt ten-dance à restocker du carbone organique ; ce restockage est évalué à 0,5 Gt/an, attribué prin-ci-palement au repeuple-ment et dévelop-pement forestier dans l'Hémisphère nord (IPCC, 1995). Dans la pers-pec-tive d'un affinement de ces bilans carbonés, les questions actuelles portent sur l'évolution prévisible du niveau de matières organi-ques dans les sols agricoles ; contrairement à l'idée que les pratiques agricoles intensives conduisent inexorablement à une diminution du stock organique du sol, des travaux sur des essais de longue durée nord américains (Buyanovsky et Wagner, 1998) montrent que l'augmentation de production de biomasse végétale au cours des dernières décennies, consécutive notamment au développement de la fertilisation et aux améliorations variétales, a conduit à un restockage de matière organique (fig. 2, ci-dessus), dont l'importance varie de 500 kg/ha/an de carbone sous monoculture de blé à 1 500 kg/ha/an sous une rotation culturale de céréales et de légumineuses ; l'extrapo-lation de ces résul-tats sur de larges échelles apparaît cependant imprudente en absence de confirmation sur un plus grand nombre de situations. Parallèlement d'autres travaux confortent l'idée que l'on peut favoriser le restockage du carbone organique dans le sol par des techniques simplifiées de travail du sol, la remise en prairie ou la régénération de forêts.
Les évaluations actuelles sur les émissions de N2O indiquent que les sols, tempérés et tropicaux, cultivés ou non, sont responsables de près de 70% des émissions de ce gaz. Les mesures confirment que l'on peut observer des émissions aussi bien en sols peu humides, dues à la nitrification, qu'en sol plus fortement humide et attribuées alors à la dénitrification. Ces émissions sont faibles, parfois indétectables, dans les sols où le niveau d'azote minéral est faible ; les résultats présentés confirment que les émissions sont fortement dépendantes des apports de fertilisants azotés et doivent être mesurées sur toute l'année pour être correctement appréciées (Mosier, 1998 ; Hénault et al., 1998) : plusieurs auteurs ont mesuré des émissions significatives en période hivernale, notamment lors de période de dégel des sols. Les ordres de grandeur des émissions montrent quelques écarts par rapport aux valeurs calculées selon l'équation proposée par Bouwman (1996), à savoir 1 kg/ha d'azote + (1,25 ± 1)% de l'azote apporté, mais ne permettent pas de remettre en cause cette approximation qui fait actuellement référence. Les résultats actuels font surtout ressortir la faible prise en compte de la diversité des situations d'émission. La présentation de Mosier a permis par ailleurs de souligner l'importance des émissions de NO par les sols de la Prairie américaine, et l'intérêt de les suivre dans d'autres situations ; en effet, ce gaz n'est pas un GES mais un polluant atmosphérique puissant impliqué dans la production d'ozone atmosphérique.
La production de méthane par le sol et l'agriculture correspond à 55% des émissions avec une place particulière pour les zones humides ou marécageuses (21 %), les rizières (11%) et la production par le cheptel (effluents inclus : 21%) : les données présentées font ressortir que les émissions en zones marécageuses peuvent être aussi importantes sous climat tempéré ou semi continental que sous des climats plus chauds. Les sols cultivés exondés ne sont pas des sources de méthane importantes mais interviennent au contraire comme moyen d'élimination par leur capacité d'oxydation microbienne de ce gaz ; cette capacité, qui existe aussi dans les sols de rizières en phase aérée, peut être altérée par les pratiques agricoles et notamment la fertilisation azotée (Boeckx et al., 1998 ; Huetsch, 1998).

[R] Quel est l'impact prévisible de l'évolution de la composition atmosphérique sur le climat ?

Cette question est l'objet de nombreuses spéculations et donne lieu à divers scénarios. Parmi les difficultés actuelles, mentionnons la prise en compte de phénomènes précédemment négligés tels que la formation des aérosols, conséquences d'éruptions volcaniques, de l'érosion éolienne ou d'autres émissions de particules, qui peuvent disperser les rayonnements et réduire l'absorption énergétique des gaz à effet de serre. Cependant de nombreuses simulations sont faites sur la base d'une augmentation moyenne de température de l'ordre de 2°C au cours du siècle prochain, tandis que les changements en matière de pluviométrie apparaissent encore plus aléatoires et conduisent les chercheurs à envisager des situations diversifiées pour évaluer les effets sur la végétation.

[R] Le changement climatique modifie le fonctionnement des sols et de la végétation

Une préoccupation qui se renforce est l'évaluation des éventuelles modifications du climat sur le fonctionnement des sols et du couvert végétal, et plus particulièrement sur les transformations microbiennes impliquées dans la dynamique de ces gaz. Kätterrer et al. (1998) rappellent que l'effet d'une augmentation de température sur la minéralisation de la matière organique peut être correctement apprécié par l'application de la loi de Vant'Hoff (doublement des vitesses pour une augmentation de 10°C) pour des températures supérieures à 5°C ; en dessous de ce seuil la variation de température a un effet plus fortement marqué que ce que laisse prévoir cette loi.
Des travaux expérimentaux menés in situ par une équipe allemande (Kamp et al., 1998) ont tenté d'évaluer l'effet d'une augmentation artificielle de température de quelques degrés sur les émissions de N2O et ont montré que les cinétiques d'émission pouvaient être fortement affectées, notamment en hiver, sans que les flux globaux soient sensiblement modifiés sur une année.
Plus difficile à évaluer est l'impact de l'augmentation de teneur en CO2 sur la production végétale. Des travaux en serre montrent que cette augmentation favorise la photosynthèse et la production de biomasse végétale, avec un accroissement de son rapport carbone/azote (Batjes, 1998) ; cet effet de fertilisation carbonique sur la photosynthèse apparaît essentiellement chez les plantes " en C3 " tandis que celles " en C4 " (maïs, sorgho, etc.2) y sont beaucoup moins sensibles. En absence d'autres facteurs limitants, l'augmentation de 27% de la teneur atmosphérique en CO2 devrait exercer un effet favorable sur la production du couvert végétal avec un probable accroissement du stockage de carbone par le sol ; cet impact, qui n'a pu être réellement évalué dans la nature, est régulièrement avancé pour tenter d'expliquer une plus faible augmentation atmosphérique en CO2 que ce que laisse prévoir le bilan des émissions. Par ailleurs, l'effet de l'augmentation de cette production de biomasse végétale sur les besoins en eau reste à définir.

[R] Peut-on jouer sur le fonctionnement des sols dans une stratégie de maîtrise du climat ?

La prise de conscience de l'importance des modifications de la composition de l'atmosphère et de ses répercussions éventuelles conduit à rechercher des moyens pour atténuer cette augmentation des GES. Les trois principaux gaz sont pour partie issus du sol ; la recherche est active, soit pour tenter de réduire leurs émissions, soit pour accentuer les capacités du sol à les recapter.
Différents travaux sont développés pour estimer les possibilités de restockage de carbone par le sol. Au plan européen, nos collègues anglais de Rothamsted (Falloon et al., 1998) animent un réseau qui s'est fixé pour objectif d'évaluer ces capacités à l'échelle régionale, couplant pour cela leur modèle d'évolution de la matière organique et des bases de données géographiques. Dans une étude récente (Bruce et al., 1998), une telle estimation a été réalisée pour l'ensemble des sols nord américains en partant de l'idée que par des méthodes culturales adaptées il devrait être possible d'augmenter les stocks de matière organique de ces sols de la moitié des pertes consécutives à leur mise en culture. Cependant cette immobilisation du carbone, qui demandera d'importantes modifications des pratiques agricoles, ne correspondra sur deux décennies qu'à moins de 4% du carbone total libéré dans l'atmosphère à partir du même territoire, soulignant que ce restockage ne peut être qu'un appoint parmi les mesures de réduction des émissions de CO2, même si cet appoint n'est pas négligeable.
En ce qui concerne les émissions de N2O, il est établi qu'elles sont étroitement dépendantes de l'intensité de la fertilisation azotée et que quelques caractéristiques du sol liées à l'état d'humidité et au fonctionnement de la microflore sont des paramètres déterminants (Germon et al., 1998). Dans l'immédiat, il apparaît nécessaire de définir une meilleure typologie des zones et des conditions d'émission de façon à déterminer des stratégies de réduction intégrant ces éléments. Il apparaît notamment souhaitable de définir plus précisément si ces émissions sont rigoureusement proportionnelles aux flux d'azote minéral dans le sol, ou seulement aux quantités en excès par rapport au besoin des végétaux, les perspectives de gestion de ces émissions étant beaucoup plus aisées dans le second cas.
Les émissions de méthane sont une caractéristique des sols engorgés, et plus particulièrement des sols de rizière ; dans ces derniers sols, il a été démontré que l'on pouvait réduire ces émissions de 50%, voire davantage, par une gestion modifiée de la submersion de la culture, avec une mise à sec du sol pendant les premiers stades de développement du riz sans pénaliser le rendement ; on s'oriente aussi vers l'utilisation de cultivars permettant une plus grande diffusion des gaz à travers les tiges, ce qui permet une inhibition de la microflore méthanigène par l'oxygène au voisinage des racines. Les spécialistes de la riziculture pensent avoir ainsi une panoplie de moyens susceptibles de compenser l'extension et l'intensification indispensables de la riziculture dans les zones tropicales. Ces mesures ne concernent en rien les zones naturelles marécageuses ou humides.

[R] L'état des connaissances sur le rôle régulateur du sol dans l'évolution du climat permet de tirer plusieurs conclusions :

- la composition de l'atmosphère a fortement évolué au cours des deux derniers siècles et continue à évoluer de façon importante ; cela aura un impact sur l'échauffement de la terre qui paraît inéluctable et sur l'importance duquel on s'interroge en terme de scénarios possibles ;
- le sol, l'agriculture et plus globalement la biosphère jouent un rôle régulateur important dans l'évolution des gaz traces par leurs fonctions de puits et de sources de plusieurs d'entre eux. Les estimations de différentes sources demandent encore à être précisées, compte tenu d'une grande variabilité spatiale et temporelle du fonctionnement des mécanismes producteurs. L'évaluation des fonctions puits, c'est-à-dire de la capacité du sol et, plus globalement, de la biosphère à recapter ces gaz se heurte à deux difficultés ; d'une part, les émissions observées sont souvent la résultante de mécanismes de production et de consommation dont les intensités spécifiques ne sont pas distinguées. D'autre part, l'intensité des transformations peut être directement dépendante de la concentration de ces gaz, avec des effets encore mal définis ; il en est ainsi, notamment, de l'effet de la concentration en CO2 sur l'intensité de la photosynthèse et de la production de biomasse végétale ;
- dans la perspective d'une maîtrise nécessaire des émissions de gaz-traces, il semble possible de modifier le rôle régulateur du sol et de l'agriculture dans ces émissions par des modifications de pratiques culturales. Cependant les effets bénéfiques de telles modifications sont loin d'être complètement évalués. Au vu des données actuelles et de ce que l'on sait sur le fonctionnement du sol, il est clair que l'obtention de résultats significatifs nécessitera des modifications à grande échelle. Il est tout aussi clair que les effets attendus ne devraient représenter qu'une faible part de l'effort à réaliser pour stabiliser efficacement ces émissions et que la recherche d'autres moyens est indispensable.

[R]  Cet article paraît par ailleurs dans OCL. 5(5), par accord des deux revues.


Note
(1) Forçage radiatif: augmentation de la température de l'atmosphère liée à l'augmentation de la teneur en "gaz à effet de serre". Ceux-ci laissent passer les rayonnements de courte longueur d'onde (solaire) mais absorbent une partie des rayonnements de grande longueur d'onde (infrarouge) émis par la surface de la terre, les empêchant ainsi de s'échapper vers l'espace. C'est cette énergie absorbée qui se transforme en chaleur et provoque le réchauffement de l'atmosphère. [VU]


[R] Références bibliographiques

Batjes N.H., 1998. Mitigation of atmospheric CO2 concentrations by increased carbon sequestration in the soil. Biol. Fertil. Soils, Special issue, Soils and Climate Change, 27, 230-235.
Boeckx P., Van Cleemput O., Meyer T., 1998. The influence of land use and pesticides on methane oxidation in some Belgian soils. Biol. Fertil. Soils, Special issue, Soils and Climate Change, 27, 293-298.
Bouwman E.G., 1996. Direct emission of nitrous oxide from agricultural soils. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 46, 53-70.
Bruce J.P., Frome M., Haites E., Janzen H., Lal R., Paustian K., 1998. Carbon sequestration in soils. Soil & Water Conservation Society's. Carbon sequestration in soils workshop, Calgary, Alberta, Canada, 33 p.
Buyanovsky G., Wagner G.H., 1998. Changing role of cultivated land in the global carbon cycle. Biol. Fertil. Soils, Special issue, Soils and Climate Change, 27, 242-245.
Falloon P.D., Smith P., Smith J.U., Szabo J., Coleman K., Marshall S., 1998. Regional estimates of carbon sequestration potential : linking the Rothamsted Carbon Model to GIS databases. Biol. Fertil. Soils. Special issue, Soils and Climate Change, 27, 236-241.
Germon J.C., Hénault C., Page S., Lucas J.L., Reau R., 1998. Les émissions de protoxyde d'azote (N2O) sous culture de colza. OCL, 5, 5-11.
Hénault C., Devis X., Lucas J.L., Germon J.C., 1998. Influence of different agricultural practices (Type of crop - form of N-fertilizer) on soil nitrous oxide emissions. Biol. Fertil. Soil. Special issue, Soils and Climate Change, 27, 299-306.
Huetsch B. W., 1998. Tillage and land use effects on methane oxidation rates and their vertical profiles in soil. Biol. Fertil. Soils, Special issue, Soils and Climate Change, 27, 284-292.
IPCC, 1995. Climate Change 1994. Report of working groups I and III of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, UK, 339 p.
Kamp T., Steindl H., Hantschel R. E., Beese F., Munch J.C., 1998. Nitrous oxide emissions from a fallow and wheat field as affected by increased soil temperatures. Biol. Fertil. Soils. Special issue, Soils and Climate Change, 27, 307-314.
Kätterer T., Reichstein M., Andren O. Lomander A., 1998. Temperature dependence of organic matter decomposition : a critical review using literature data analysed with different models. Biol. Fertil. Soils. Special issue, Soils and Climate Change, 27, 258-262.
Mosier A.R., 1998. Soil Processes and Global Change. Biol. Fertil. Soil. Special issue, Soils and Climate Change, 27, 221-229.

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