Caractérisation des émissions du gaz N2O par des sols caillouteux

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Caractérisation des émissions du gaz N2O par des sols

caillouteux

Charlène Perrier

To cite this version:

Charlène Perrier. Caractérisation des émissions du gaz N2O par des sols caillouteux. [Stage] Université d’Orléans (UO), FRA. 2012, 32 p. �hal-02811298�

UNIVERSITE D’ORLEANS

Observatoire des Sciences de l’Univers en région Centre

Master De Sciences de la Terre et de l’Environnement

1ère année 2011 - 2012

Caractérisation des émissions

du gaz N

2

O par des sols caillouteux

Rapport de stage de recherche (TER)

Par PERRIER Charlène

Sous la direction de: M

Cousin Isabelle

Laboratoire d’accueil :

INRA – Unité de recherche Science du Sol 2163 Avenue de la Pomme de Pin

45075 ORLEANS

SOMMAIRE

SOMMAIRE... 1

Remerciements ... 3

1. INTRODUCTION ... 5

2. MATERIELS ET METHODES ... 7

A. Préparation des échantillons reconstitués... 7

1) Matériel pédologique ... 7

2) Conditions de préparation des échantillons... 7

3) Méthodologie de préparation des échantillons ... 9

B. Mesures d’émission de N2O ... 10

1) Présentation du Mégatec ... 10

2) Réalisation des expériences... 11

a) Mesures des concentrations de N2O et calcul de flux ... 11

b) Choix de la taille des chambres de mesure... 12

c) Analyse de l’effet de la teneur en eau des échantillons ... 13

3. RESULTATS ... 15

A. 1ère série de mesures : 1er cycle de dessiccation ... 15

B. 2ème série de mesures : 2ème cycle de dessiccation ... 17

4. DISCUSSION... 21

A. Evolution des émissions après la seconde humectation... 21

B. Comparaison des teneurs en eau entre le cycle 1 et le cycle 2 ... 22

C. Comparaison des émissions entre le cycle 1 et le cycle 2 ... 23

5. CONCLUSION ... 25

6. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES... 27

Liste des figures ... 29

Remerciements

Tout d’abord, je tiens à remercier l’unité de Science de Sol de l’INRA, sa directrice Catherine Hénault, de m’avoir accueillie durant près d’un mois et demi dans le cadre du TER. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet Spatioflux (CPER 2007 – 2013) financé par la Région Centre et le FEDER. J’aimerais remercier également l’OSUC d’avoir accepté que ce stage se déroule à l’INRA.

Ensuite, mes remerciements vont à Isabelle Cousin pour m’avoir encadrée, suivie et aidée durant toute cette période. Le déroulement du stage s’est très bien passé de part sa pédagogie et son organisation. La communication était très facile et les questions pouvaient être résolues dans la journée même. Un petit clin d’œil à Pierre–Jean, son fils, avec qui j’ai joué au ballon et que je n’oublierais pas de si tôt.

Je remercie également Eva Rabot qui a été là tous les jours, et avec qui le partage du Mégatec s’est déroulé sans aucun problème. Je la remercie pour l’aide qu’elle m’a donnée pour fabriquer mes nouvelles chambres de mesure, pour son après-midi passé à mettre du silicone sur mes systèmes afin qu’ils soient étanches à la base. Un merci aussi à Guillaume Giot qui a été là tout au long du stage pour le moindre souci.

Enfin, je tiens à remercier Anne-Laure Thadée pour son aide durant la préparation de mes échantillons, sans qui mon temps de confection de la manipulation aurait été très long. Merci pour son aide et surtout à ses bras pour le tamisage qu’elle a fait avec moi durant toute une journée afin de tamiser 12Kg de terre fine !

1.

INTRODUCTION

Depuis toujours, les interactions entre climat et agriculture sont très fortes. En effet, l’agriculture représente plus de 13% des émissions mondiales de gaz à effet de serre (IPCC, 2007) (En France : elle représente 21% des émissions françaises) et est donc l’un des principaux moteurs de ces émissions mondiales. L’agriculture participe à l’émission des trois gaz à effet de serre principaux : le méthane (CH4), le protoxyde d’azote (N2O) et le dioxyde

de carbone (CO2). Dans le même temps, elle est également l’une des seules activités à

permettre d’atténuer les changements climatiques en stockant du carbone dans les sols.

L’émission de ces gaz à effet de serre s’est accentuée depuis la révolution industrielle du 19ème siècle avec l’élan de l’activité humaine. L’accumulation de ces gaz dans l’atmosphère augmente l’effet de serre, ce que l’on appelle l’effet de serre additionnel.

Parmi les gaz à effet de serre, le N2O qui est émis essentiellement par les sols

contribuerait à 8% de l’effet de serre additionnel (IPCC, 2007). De plus, le N2O a un pouvoir

de réchauffement global (PRG) équivalent à presque 300 fois celui du CO2 (Vandaele et al,

2010). Cela signifie qu’un kilogramme de N2O dans l’atmosphère produira le même effet que

300 kg de CO2.

La compréhension du déterminisme des émissions de N2O par les sols est donc essentielle

pour proposer des scénarios agronomiques de réduction des émissions de ce gaz.

Les émissions de N2O par les sols résultent des processus de nitrification et dénitrification.

Ces processus microbiens sont sous la dépendance principale de la teneur en azote du sol, de sa teneur en eau et de sa température. En conséquence, ils dépendent fortement du type de sol et de ses propriétés (Hénault et al, 1998). Si la littérature propose de nombreuses références d’émissions de N2O par différents types de sol, on ne trouve pas de données sur

les sols caillouteux, c’est-à-dire sur des sols comportant une charge significative en éléments grossiers. Pourtant, ces derniers présentent des caractéristiques hydriques particulières (Fiès et al., 2002 ; Tétégan 2011 ; Tétégan et al, 2011), et l’on peut raisonnablement penser qu’ils ont des caractéristiques d’émissions de N2O spécifiques.

L’objectif de cette étude est donc d’analyser l’effet de la charge en éléments grossiers sur les émissions de N2O. Pour apporter des éléments de réponse, nous proposons

de réaliser des expériences en conditions contrôlées.

Nous réaliserons donc des mesures de flux de N2O au laboratoire, sur des échantillons de sol

2.

MATERIELS ET METHODES

A.

Préparation des échantillons reconstitués

1)

Matériel pédologique

Les échantillons analysés sont constitués d’un mélange de terre fine (fraction du sol inférieure à 2 mm) et de cailloux (éléments grossiers de taille comprise entre 2 et 5 cm) en proportions variables. La terre fine a été prélevée sur une parcelle du site OS² en Eure et Loir : des mesures de terrain ont montré que ce type de sol pouvait émettre des quantités significatives de N2O (Gu et al, 2011). Cette terre fine a été séchée à 50°C pendant 24H puis

tamisée à 2mm. Pour des raisons pratiques, nous avons choisi une masse volumique de 1,1 g.cm-3 pour la terre fine.

Les cailloux ont été prélevés sur le site de Villamblain (Loiret) sur une parcelle caillouteuse (Tétégan, 2011). Ils ont été soigneusement brossés et séchés à l’air. Leur masse volumique moyenne est de 1,98 g.cm-3. Pour analyser l’effet de la teneur en eau sur les émissions de N2O, nous avons choisi de fabriquer des échantillons reconstitués selon 4

modalités avec trois échantillons pour chacune des modalités [Fig.1].

2)

Conditions de préparation des échantillons

Nous souhaitons également que la terre fine et les cailloux de tous les cylindres soient initialement à la même teneur en eau.

- Pour la terre fine, nous avons choisi cette teneur en eau de façon que la terre fine puisse être installée dans le cylindre sans s’agréger sous forme de boue. Des tests préliminaires de fabrication de cylindres à des teneurs en eau variables nous ont permis de définir une teneur en eau optimale pour la fabrication de nos cylindres de

x 3 x 3 x 3 x 3 0% TF 100% CX 80% TF 20% CX 60% TF 40% CX 100% TF 0% CX Modalité 3

Modalité 1 Modalité 2 Modalité 4

Figure 1: Modalités des échantillons reconstitués (TF : terre fine ; CX : cailloux). La proportion représente un pourcentage volumique

0,25 g.g-1 et nous avons ainsi défini la quantité d’eau à apporter à la terre fine sèche par modalité [Tab.1].

- Les cailloux quant à eux, ont été saturés par capillarité; ils ont été mis en bac puis ont été progressivement saturés par leur base afin que la solution puisse remonter par capillarité et éviter ainsi que s’y piègent des bulles.

Les mélanges terre fine – cailloux sont donc fabriqués avec de la terre fine dont la teneur en eau est de 0,25 g.g-1 et des cailloux saturés.

Enfin, nous avons choisi de saturer nos échantillons en nitrate pour que celui-ci ne soit pas un facteur limitant des émissions de N2O. Nous avons calculé la concentration en

nitrate de notre solution de saturation pour qu’elle soit équivalente à une teneur en azote de 100 mg N/Kg cailloux [Tab.2].

Tableau 1 : Caractéristiques de fabrication des cylindres pour chaque modalité

Modalité 1 Modalité 2 Modalité 3 Modalité 4

Cailloux Terre Fine Cailloux Terre Fine Cailloux Terre Fine Cailloux Terre Fine

% dans cylindre 100 0 20 80 40 60 0 100 volume dans cylindre (cm3) 1237,00 0,00 247,40 989,60 494,80 742,20 0,00 1237,00 ρ (g/cm3) 1,98 1,1 1,98 1,1 1,98 1,1 1,98 1,1 masse à mettre dans cylindre (g) 2449,26 0,00 489,85 1088,56 979,70 816,42 0,00 1360,70 Masse eau à ajouter (g) 0 273,86 205,39 342,32

Tableau 2 : Récapitulatif des données et détermination de la quantité de solution de KNO3 à préparer afin d’avoir nos

100mgN/Kg cailloux Cylindre Diamiètre (cm) 15 rayon 7,5 hauteur (cm) 7 volume (cm3) 1237 Cailloux densité (g/cm3) 1,98 porosité 0,25

volume de cailloux ; modalité 1 (100%CX) (cm3) 1237

volume de vides ; modalité 1 (100% CX) (L) 0,31

masse cailloux ; modalité 1 (100%CX) (g) 2449

solution KNO3 à préparer

concentration cible (mgN/kgcailloux) 100

masse (mgN) 244,9

concentration massique (gN/L) 0,8

quantité de matière (molN/L = molKNO3/L) 0,06

MM (N) (g/mol) 14

MM (KNO3) (g/mol) 101

3)

Méthodologie de préparation des échantillons

Les masses et les teneurs en eau désormais déterminées, nous pouvons préparer nos 12 cylindres [Fig.2].

Modalité 1 : En ce qui concerne la modalité 1 avec 100% de cailloux, il n’est pas possible de

mettre 2,45Kg de cailloux du fait volume des vides à prendre en considération. Nous avons donc mis la quantité maximale de cailloux dans le cylindre, soit une masse nette de cailloux saturés de solution nitratée de 1,45Kg.

Modalités 2 et 3 : Les cylindres des modalités 2 et 3, c’est-à-dire comprenant à la fois des

cailloux et de la terre fine, ont été fabriqués en superposant une petite couche de terre fine humectée de solution nitratée par vaporisation, puis une « couche » de cailloux, puis une nouvelle couche de terre fine et ceci jusqu’à épuisement des masses de cailloux et de terre fine.

Modalité 4 : Les échantillons de la modalité 4 sont constitués à 100% de terre fine. Nous

avons préparé les échantillons en déposant successivement dans le cylindre de fines couches de terre fine que nous avons vaporisée de solution nitratée au fur et à mesure de l’installation des couches.

Pour chaque modalité, tous les cylindres ont été préparés de manière à ce qu’ils aient tous une masse volumique apparente la plus proche possible. Après préparation, les échantillons sont emballés hermétiquement de façon à limiter leur perte en eau. Chaque échantillon est déballé au moment où l’on réalise une mesure puis réemballé à la fin de celle-ci.

Figure 2 : Photo de tous les cylindres de sols reconstitués.

1ère colonne (à gauche) : modalité 1 (100% cailloux) ; 2ème colonne : modalité 2 (20% cailloux + 80% terre fine) ; 3ème colonne : modalité 3 (40% cailloux + 60% terre fine) ; 4ème colonne (à droite) : modalité 4 (100% terre fine)

B.

Mesures d’émission de N

O

1)

Présentation du Mégatec

L’outil de mesure des concentrations en N2O est un analyseur de marque Thermo

Scientific modèle 46i développé par la société Mégatec (Saint-Aubin 91). Il mesure en continu et en temps réel la concentration du N2O dans l’air ambiant.

Le Mégatec est un appareil à corrélation gaz dans l’infrarouge. En effet, la radiation de la source IR passe à travers un chopper puis à travers une roue à corrélation qui alterne entre N2 et N2O par rotation. La radiation traverse ensuite un filtre optique et un ensemble de

miroirs réfléchissants situés à l’intérieur de la cellule. Elle quitte ensuite la cellule de mesure vers un détecteur IR. Les autres gaz ne peuvent perturber la mesure car ils absorbent de manière équivalente tant sur la radiation mesure que sur la radiation référence. Le système à corrélation gaz est donc spécifique du N2O.

2)

Réalisation des expériences

Pour analyser leurs émissions de N2O, les cylindres de sol reconstitués sont placés

dans des chambres de mesure reliées au Mégatec [Fig.3].

a)

Mesures des concentrations de N

O et calcul de flux

Pour prendre les mesures, nous procédons de la manière suivante :

- nous pesons l’échantillon considéré, nous l’enfermons dans la chambre de mesure ; - Nous connectons la chambre au Mégatec et nous enregistrons la valeur après

stabilisation du flux soit 5 minutes après sa connexion au Mégatec ;

- Nous déconnectons ensuite la chambre du Mégatec et laissons le gaz s’accumuler dans la chambre pendant environ 2h ;

- Nous reconnectons la chambre au Mégatec et reprenons les mesures après ce temps d’accumulation (toujours en laissant le Mégatec se stabiliser en 5 minutes).

- Une fois la valeur en N2O finale notée, nous repesons l’échantillon puis ce dernier est

remis dans son sachet fermé hermétiquement.

A partir des deux valeurs de concentration, nous calculons le flux de N2O émis par

échantillon :

Le flux sera exprimé en mgN2O/j. La comparaison avec des données de terrain nécessiterait

de convertir ces unités.

Entre chaque journée de mesure, chaque échantillon est fermé hermétiquement afin d’éviter toute évaporation.

Remarque : Entre chaque mesure, il convient d’une part de laisser la chambre se vider du gaz

potentiellement issu de l’échantillon précédent et, d’autre part, de laisser le Mégatec revenir à la valeur atmosphérique (purge des tuyaux de l’appareil).

b)

Choix de la taille des chambres de mesure

Dans un premier temps, les mesures ont été réalisées avec des chambres ayant un volume de 25L. Nous avons constaté que les valeurs de flux mesurés étaient très faibles et très aléatoires [Fig.4] : en effet, nous voyons que pour une même modalité, les flux peuvent être très différents (exemple de la modalité 3) et parfois même négatifs (exemple de la modalité 4).

De plus, après plusieurs tests, nous nous sommes rendu compte qu’il y avait quelques petites fuites au niveau des raccords dans tout le système. Certes, ces fuites n’étaient pas énormes mais plusieurs de ces petites fuites entrainent une erreur dans les mesures.

Suite à ces concentrations, nous avons pris la décision de modifier la taille des chambres de mesure [Fig.5]. Pour cela, nous avons pris des bassines en plastique ayant un volume d’environ 4L (aux erreurs expérimentales près). Ces dernières, étant préalablement percées, nous y avons ajouté des tubes en plastiques avec un embout permettant la connexion au Mégatec. Chambre de saturation 4L Echantillon Mégatec Puissance air comprimé Sortie Entrée Valeur enregistrée par le Mégatec

c)

Analyse de l’effet de la teneur en eau des échantillons

Au fur et à mesure de l’avancement de l’étude, la teneur en eau de chaque échantillon diminue par évaporation lorsque ce dernier est sorti de son emballage plastique pour les mesures. En conséquence, les émissions deviennent très faibles.

Nous avons donc choisi de faire une seconde humectation. Pour cela, nous ne pourrons pas humecter l’échantillon par capillarité par la base du cylindre car ce dernier a été préalablement fermé par du silicone et une plaquette en plastique. Il existe deux autres méthodes afin d’humecter : le simulateur de pluie ou la vaporisation.

Nous avons choisi la vaporisation car le simulateur de pluie pourrait abimer voire détruire la structure de nos échantillons car la masse volumique de la terre fine est très faible (1,1 g.cm-3). La vaporisation d’eau à la surface des échantillons, quant à elle, reste la solution la plus appropriée dans notre cas : l’humectation sera plus « douce » et le contrôle de la teneur en eau sera plus précis car nous pouvons imposer rigoureusement la masse d’eau nécessaire à rajouter à chaque cylindre.

Nous avons choisi d’humecter assez fortement nos échantillons pour stimuler les émissions de N2O. Nous avons donc versé 100g d’eau permutée dans chaque cylindre.

Chambre de saturation : Volume = 25 L Chambre de saturation : Volume = 4L

Figure 4 : Photo des 2 chambres de saturation utilisées. A droite : grande chambre utilisée pour les premières mesures ; A gauche : chambre de 4L utilisée dans la suite de l’étude

Figure 5 : Histogrammes des flux obtenus pour chaque modalité lors de nos premiers essais (grandes chambres de saturation)

3.

RESULTATS

A.

1

série de mesures : 1

cycle de dessiccation

Cette première série de mesures est réalisée sur les échantillons dont l’état initial est une teneur en eau de 0,25g.g-1 pour la terre fine et une teneur à saturation pour les cailloux. Lors des expériences, la teneur en eau des échantillons diminue et nous analysons donc ici un premier cycle de dessiccation.

Les mesures sont réalisées lorsque les échantillons sont placés dans les chambres de saturation de 4 L, à trois dates : 9 mai 2012, 11 mai 2012 et 14 mai 2012.

Quelle que soit la date de mesure, nous observons que les émissions de N2O sont nettement

plus élevées pour les sols reconstitués de la modalité 1, c’est-à-dire avec 100% de cailloux [Fig.6, Fig.7].

Pour la modalité 4, soit avec 100% de terre fine, les flux d’émission de N2O sont très faibles

voire nuls. Les modalités 2 et 3 ont, quant à elles, des résultats un peu plus aléatoires mais avec un peu plus d’émission dans la modalité 3 que dans la modalité 2, soit un flux plus fort avec 40% de cailloux qu’avec 20% de cailloux. Pour la modalité 1, on observe une diminution des émissions en fonction du temps [Fig.8], bien que la teneur en eau ne varie pas significativement [Fig.9]. Les évolutions des émissions au cours du temps pour les trois autres modalités ne montrent pas de tendance.

Figure 7 : Histogramme des flux moyens obtenus pour chaque modalité quelle que soit la date pour le 1er cycle de dessiccation (les barres d’erreur représentent l’écart-type)

Figure 8 : Histogramme des flux moyens de N2O par modalité et selon la date. (les barres d’erreur représentent

Enfin, on observe que l’ordre de classement des flux pour cette période de dessiccation ne dépend pas de la teneur en cailloux, mais que ceux-ci sont d’autant plus élevés que la teneur en eau massique est faible [Fig.7 et Fig.9] : la modalité 3 (W = 0,16 g.g-1) émet plus que la modalité 2 (W = 0,20 g.g-1), qui émet elle-même plus que la modalité 4 (W = 0,24 g.g-1).

B.

2

série de mesures : 2

cycle de dessiccation

Pour ce qui est du 2ème cycle de dessiccation, nous avons 7 journées de mesure, comprises entre le 16 et le 24 mai. On observe une forte variabilité des émissions de N2O

selon les modalités [Fig.10, Fig.11] : en effet, les trois échantillons de sols reconstitués selon la modalité 1, c’est-à-dire avec 100% de cailloux, présentent les flux les plus faibles. Les flux les plus élevés sont observés pour la modalité 3. Des flux de valeurs intermédiaires sont observés pour les modalités 2 et 4.

Excepté pour la modalité 1, la moyenne des flux par échantillon pour le second cycle de dessiccation est également très variable, ce qui témoigne d’une hétérogénéité notable entre les échantillons d’une même modalité [Fig.12].

Figure 11 : Histogramme des moyennes de toutes les mesures par modalité quelle que soit la date pour le 2nd cycle de dessiccation. (les barres d’erreur représentent l’écart-type)

Figure 10 : Histogramme de toutes les mesures effectuées par échantillon et par date (1er cycle de dessiccation : du 9 au 14 mai ; second cycle de dessiccation : du 16 au 24 mai)

Enfin, l’évolution temporelle du flux est complexe : pour la modalité 1, on constate que les émissions sont faibles et diminuent au cours du temps. Au contraire, pour les autres modalités, les émissions évoluent différemment selon la période [Fig.13] : elles augmentent au cours du temps pendant les premiers jours de mesure puis, à partir du 22 mai 2012 pour la modalité 3 et du 23 mai 2012 pour les modalités 2 et 4, les flux d’émission de N2O

commencent à diminuer.

Figure 12: Histogramme des moyennes de toutes les mesures par échantillon pour le second cycle de dessiccation

L’évolution des émissions de N2O avec le temps [Fig.14] indique que les flux moyens de N2O

du 1er cycle d’humectation sont négligeables vis-à-vis du 2nd cycle. Les émissions les plus fortes sont, pour chacune des modalités, dans les 4 derniers jours de mesures avec un pic d’émission un peu plus fort le 23 mai 2012. Les forts flux de N2O apparaissent à partir du 21

mai, soit 6 jours après la 2nde humectation. Après cette date, les flux commencent à diminuer [Fig.15].

Figure 14 : Histogramme des moyennes journalières pour chaque modalité avec les mesures du cycle 1 et du 2nd cycle d’humectation

Figure 15 : Evolution du flux de N2O en fonction de la date de mesure (1 er

cycle de dessiccation du 9 au 14 mai ; 2nd cycle de dessiccation du 16 au 24 mai)

4.

DISCUSSION

A.

Evolution des émissions après la seconde humectation

Lors du 2nd cycle de dessiccation, les flux d’émission de N2O pour les modalités 2, 3 et 4

augmentent avec le temps lors d’une première période, puis diminuent [Fig.15]. Si l’on représente l’évolution des émissions en fonction de la teneur en eau [Fig. 16], on constate que celles-ci présentent une courbe en cloche : elles augmentent avec l’augmentation de la teneur en eau, ce qui est classique, puis diminuent lorsque la teneur en eau augmente. On peut faire deux hypothèses pour expliquer ce comportement original :

- Il existe une valeur seuil qui correspond à un maximum d’émission

- La structure des échantillons des modalités 2, 3 et 4, sur lesquels on observe visuellement que s’y développent des fissures, a fortement évolué. Cela pourrait soit modifier les caractéristiques de transfert de gaz dans le milieu, soit diminuer localement les réactions microbiologiques car le milieu devient trop sec.

B.

Comparaison des teneurs en eau entre le cycle 1 et le cycle 2

On observe que la teneur en eau des échantillons lors de la 1ère échantillon est significativement plus faible que celle de la 2nde humectation [Tab.3 ; Fig. 17]. On constate d’ailleurs que, lors de la première humectation, la teneur en eau pour la modalité 4 (terre fine seule, 0,24 g.g-1) est proche de la teneur en eau de fabrication des échantillons, et que la teneur en eau de la modalité 1 (cailloux seuls, 0,09 g.g-1) est très faible, ceci étant dû à la référence massique pour le calcul de la teneur en eau. Par contre, de façon assez surprenante, la teneur en eau de la modalité 2 est supérieure à celle de la modalité 3. L’ordre de classement des teneurs en eau après le second apport d’eau montre le même ordre.

Tableau 3 : Comparaison des teneurs en eau initial des deux cycles

Modalité W : teneur en eau après 1ère humectation (g.g-1) W’ : teneur en eau après 2nde humectation (g.g-1) 1 0,09 0,17 2 0,20 0,27 3 0,16 0,22 4 0,24 0,32

C.

Comparaison des émissions entre le cycle 1 et le cycle 2

Les valeurs issues du 1er cycle de dessiccation (9, 11 et 14 mai 2012) sont beaucoup plus faibles voire négligeables vis-à-vis des valeurs du 2nd cycle [Fig.18]. Lors du 1er cycle, les échantillons de sols reconstitués composés à 100% de cailloux présentent les plus fortes émissions, mais comparées aux valeurs de flux du 2nd cycle, celles-ci restent très faibles.

Les émissions presque nulles de la terre fine lors du premier cycle pourraient nous laisser penser que la terre fine n’émet pas du tout ce qui est contraire aux émissions de terrain et contredit l’hypothèse selon laquelle les cailloux seraient des facteurs limitants dans l’émission de N2O.

Dans les modalités où sont mélangés des cailloux et de la terre fine, on observe que, suite à la première humectation, les valeurs de flux d’émission de N2O diminuent avec le

temps.

Après la 2nde humectation, les observations sont strictement opposées. En effet, les flux de N2O augmentent progressivement lors d’une première période, puis diminuent par la

suite. Ces différences entre les deux cycles pourraient s’expliquer par la teneur en eau. En effet, lors de la 1ère humectation, la teneur en eau dans les échantillons était aux environs de 0,25 g.g-1 alors que lors de la seconde humectation, la teneur en eau pour chacun des échantillons était plus élevée [Tab.3].

5.

CONCLUSION

Nous avons analysé en laboratoire les émissions de N2O produites par des échantillons de

sols remaniés constitués en proportions variables de cailloux et de terre fine.

Le suivi des émissions de N2O nous a permis de mettre en évidence les points suivants :

- Le flux de N2O varie en fonction de la teneur en eau des échantillons et de leur

charge en éléments grossiers.

- Pour des teneurs en eau massiques faibles, mais qui correspondent à une saturation de leur porosité (1ère humectation dans cette étude), les cailloux peuvent émettre du N2O.

- Lorsque la teneur en eau est faible, les émissions de tous les types d’échantillons sont également faibles mais celles produites par des échantillons constitués à 100% de cailloux sont les plus élevées.

- Suite à une seconde humectation, qui augmente la teneur en eau massique de tous les échantillons de l’ordre de 0,08 g.g-1, les émissions de N2O sont significativement

plus élevées sur les échantillons constitués de mélanges terre fine / cailloux, et significativement plus faibles sur les échantillons constitués à 100% de cailloux. - Suite à la seconde humectation, lors du second cycle de dessiccation, les flux

augmentent dans un premier temps – lorsque la teneur en eau diminue -, ce qui est un résultat peu classique ; ils diminuent ensuite dans un second temps – alors que la teneur en eau continue de diminuer -. Il existe donc une valeur seuil qui correspond au maximum d’émission.

Le protoxyde d’azote, gaz à effet de serre principal dans l’agriculture, est donc dépendant de la teneur en eau mais également de la proportion en éléments grossiers.

Après cette étude, nous pouvons dire que les émissions de protoxyde d’azote diminuent pour certaines teneurs en eau mais qu’à un intervalle de valeur, les émissions augmentent de façon considérable. Il est donc nécessaire de prendre en compte la charge en éléments grossiers car ces derniers, en fonction de leur proportion permettent l’atténuation ou l’accentuation de ces émissions. En effet, les échantillons constitués à 20% de cailloux ont un effet limitant sur les émissions mais à 40% de cailloux, les émissions sont plus fortes que lorsque le sol est constitué à 100% de terre fine. Ces points devront néanmoins être vérifiés en conditions réelles.

6.

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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Liste des figures

Figure 1: Modalités des échantillons reconstitués (TF : terre fine ; CX : cailloux). ... 1 Figure 2 : Photo de tous les cylindres de sols reconstitués... 10 Figure 3 : Photo du dispositif de l’expérience... 1 Figure 4 : Photo des 2 chambres de saturation utilisées. A droite : grande chambre utilisée pour les premières mesures ; A gauche : chambre de 4L utilisée dans la suite de l’étude... 1 Figure 5 : Histogrammes des flux obtenus pour chaque modalité lors de nos premiers essais (grandes chambres de saturation) ... 14 Figure 6 : Histogramme des flux obtenus pour tous les échantillons selon la date de mesure lors du premier cycle de dessiccation ... 1 Figure 7 : Histogramme des flux moyens obtenus pour chaque modalité quelle que soit la date pour le 1er cycle de dessiccation ... 16 Figure 8 : Histogramme des flux moyens de N2O par modalité et selon la date... 16

Figure 9 : Evolution de la teneur en eau moyenne (g.g-1) selon la date de mesure ... 1 Figure 10 : Histogramme de toutes les mesures effectuées par échantillon et par date (1er cycle de dessiccation : du 9 au 14 mai ; second cycle de dessiccation : du 16 au 24 mai)... 1 Figure 11 : Histogramme des moyennes de toutes les mesures par modalité quelle que soit la date pour le 2nd cycle de dessiccation... 1 Figure 12: Histogramme des moyennes de toutes les mesures par échantillon pour le second cycle de dessiccation ... 1 Figure 13 : Moyenne du flux par modalité selon la date pour le 1er cycle de dessiccation... 1 Figure 14 : Histogramme des moyennes journalières pour chaque modalité avec les mesures du cycle 1 et du 2nd cycle d’humectation... 1 Figure 15 : Evolution du flux de N2O en fonction de la date de mesure (1

er

cycle de dessiccation du 9 au 14 mai ; 2nd cycle de dessiccation du 16 au 24 mai)... 1 Figure 16 : Evolution du flux moyen de N2O par modalité selon la date... 1

Figure 17 : Evolution de la teneur en eau moyenne par modalité selon la date ... 1 Figure 18 : Evolution du flux moyen de N2O selon la teneur en eau par cycle de dessiccation et par

modalité ... 1

Liste des tableaux

Tableau 1 : Caractéristiques de fabrication des cylindres pour chaque modalité... 8 Tableau 2 : Récapitulatif des données et détermination de la quantité de solution de KNO3 à préparer

afin d’avoir nos 100mgN/Kg cailloux ... 8 Tableau 3 : Nouvelle teneur en eau après la 2nde humectation pour chaque modalité. ... 22

Caractérisation des émissions du gaz N

O par des sols caillouteux

Charlène PERRIER Avril-Juin 2012

Mots clés : Protoxyde d’azote, gaz à effet de serre, émission, sols caillouteux, teneur en eau

Résumé : Au niveau national, l’agriculture arrive au 3ème rang des activités émettrices de gaz à effet de serre. Parmi les gaz à effet de serre, le protoxyde d’azote (N2O), dont le pouvoir de réchauffement

est 300 fois plus élevé que celui du CO2 est émis principalement par les sols. De précédentes études ont

montré l’influence de différents types de sols sur les émissions de N2O mais il n’existe pas, à notre

connaissance, de référence sur les sols caillouteux, pourtant très répandus. Dans ce contexte, notre étude a eu pour objectif d’analyser l’effet de la charge en éléments grossiers sur les émissions de N2O par

les sols. Nous avons mesuré, au laboratoire, les émissions de N2O produites par des échantillons de sol

artificiels, constitués de mélange de terre fine et de cailloux en proportions variables. Lorsque la teneur en eau massique des mélanges est faible, nous avons montré que i) les émissions de N2O sont généralement

faibles et ii) ce sont les échantillons contenant 100 % de cailloux qui émettent le plus. Lorsque la teneur en eau massique augmente, nous avons montré que i) les émissions les plus faibles sont observées dans les échantillons comportant 100 % de cailloux, ii) les émissions les plus élevées sont observées dans les échantillons comportant 20 % de cailloux, et non dans les échantillons constitués seulement de terre fine. Ces résultats préliminaires demandent à être validés au champ.

Characterisation of N2O gas emissions by stony soils

Keywords : nitrous oxide, greenhouse gas, emission, stony soils, water content

Abstract: In France, agriculture is at the third place of activities that deliver greenhouse gases. Among the greenhouse gases, N2O, whose global warming potential is 300 times higher than the one of

CO2, is mainly delivered by soils. Several studies have demonstrated the influence of soil types on N2O

fluxes but no reference exists on stony soils, whereas they cover large areas in France. In that context, our study aimed at analysing the effect of rock fragments content on N2O emissions by soils. N2O fluxes

emitted by remoulded soils, constituted of mixtures of fine earth and pebbles in various concentrations were measured in laboratory under controlled conditions. When the mass water content of the remoulded samples was low, we demonstrated that i) N2O fluxes were low and ii) the highest fluxes were measured on

samples containing 100 % of pebbles. When the mass water content was higher, we demonstrated that i) the lowest fluxes were measured on samples containing 100 % of pebbles, and ii) les highest N2O fluxes were measured on samples containing 20 % of pebbles and not on samples constituted only by fine earth. These preliminary results have to be validated by field measurements.

Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet Spatioflux (CPER 2007-2013) financé par l'INRA, la Région Centre et le FEDER