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Influence du degré de saturation en eau et des cycles d’humectation-dessication sur les émissions de N2O par
les sols
Isabelle Cousin, Antoine Marionneau, Catherine Hénault
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Isabelle Cousin, Antoine Marionneau, Catherine Hénault. Influence du degré de saturation en eau et des cycles d’humectation-dessication sur les émissions de N2O par les sols. 36. Journées scientifiques du GFHN;8. Colloque GEOFCAN;Milieux poreux et géophysique, Nov 2011, Orléans, France. �hal- 02750019�
INFLUENCE DU DEGRÉ DE SATURATION EN EAU ET DES CYCLES D'HUMECTATION-DESSICCATION SUR LES ÉMISSIONS DE N2O
PAR LES SOLS
COUSIN I., MARIONNEAU A., HENAULT C.
INRA, UR 0272 - Unité de Science du Sol, 2163 Avenue de la Pomme de Pin, CS 40001 ARDON, 45075 ORLEANS Cedex 2 , [email protected] RÉSUMÉ
Les sols représentent une part importante des sources du gaz à effet de serre N2O. Les pics d’émissions de N2O par les sols sont attribués à la dénitrification qui se produit en condition anoxique, quand la teneur du sol est proche de la saturation. Le but de cette étude est de mesurer, en continu et en conditions contrôlées, la dynamique de réponse des émissions de N2O par le sol, à des teneurs en eau élevées. Nos résultats sur des échantillons de sol non perturbés montrent que les flux, de l’ordre de 0,5 mgN/m²/j lorsque les échantillons sont à la capacité au champ atteignent, lors de l’humectation, un maximum de l’ordre de 100 mgN/m²/j pour un indice d’eau de 0,8. Les flux les plus élevés (supérieurs à 1000 mgN/m²/j) se produisent lors de la dessiccation mais restent fugitifs. Lors d’un second cycle d’humectation/dessiccation, la même dynamique est observée, mais les flux sont légèrement plus faibles. Ces phénomènes déjà observés par certains auteurs mais peu expliqués montrent l’importance i) de la dynamique d’évolution de la teneur en eau (humectation vs dessiccation) et ii) de l’historique de cette dynamique, dans le déterminisme des émissions de N2O par les sols.
Mots clés : cycle d’humectation/dessiccation, structure du sol, mesures en continu, pic d’émission de N2O, hystérèse.
ABSTRACT
INFLUENCE OF WATER SATURATION AND WETTING-DRYING CYCLES ON THE N2O EMISSIONS BY SOILS
Soils represent a large source of the N2O greenhouse gas. N2O emissions peaks by soils are due to denitrification in anoxic conditions, for water contents close to saturation. The objective of the study was to continuously measure the N2O emissions by soil under controlled water content conditions. Measurements on undisturbed soil samples showed that initial N2O fluxes were about 0,5 mgN/m²/j at field capacity and reached a maximum value of 100 mgN/m²/j after wetting up to a water filled pore space equal to 0.8. The largest peaks, larger than 1000 mgN/m²/j, were recorded during desiccation but remained fleeting. For a second wetting/drying cycle, the same dynamics was observed, but absolute values of fluxes were lower. These phenomena demonstrated the role of i) wetting/drying
dynamics evolution and ii) dynamics history in the understanding of N2O emissions by soils.
Key words: wetting/drying cycle, soil structure, monitoring, N2O emission peak, hysteresis.
1. INTRODUCTION
La concentration en N2O dans l’atmosphère a dépassé les 320 ppb en 2010. Ce gaz possède un puissant effet de serre, près de 300 fois supérieur à celui du CO2. On estime actuellement que l’augmentation de la concentration en N2O est due essentiellement aux activités agricoles qui, depuis la révolution industrielle, utilisent de plus en plus d’engrais et fertilisants azotés. En France, les émissions de N2O par les sols contribueraient ainsi à 15 % de l’effet de serre additionnel.
Les émissions de N2O par les sols résultent des processus microbiens de nitrification et dénitrification, mais on observe des pics importants d’émission de N2O dus à la dénitrification lorsqu’un sol, riche en nitrate après fertilisation, se retrouve engorgé après un évènement pluvieux. Des pics de plusieurs ordres de grandeur supérieurs aux émissions moyennes peuvent alors être observés. Outre l’état de saturation, plusieurs auteurs mettent en évidence l’importance des cycles d’humectation-dessiccation (GROFFMAN et TIEDJE, 1988).
Dans ce contexte, nous nous sommes donc fixé comme objectif d’analyser, en continu et sur de longues périodes, les émissions de N2O par des échantillons de sol soumis à des cycles d’humectation/dessiccation.
2. MATÉRIELS ET MÉTHODES
2.1. Prélèvement des échantillons et équilibre à une teneur en eau donnée Les échantillons étudiés ont été prélevés dans l'horizon de surface d'un Luvisol dégradé hydromorphe, situé dans le Faux Perche. Des suivis de terrain au cours de deux années consécutives ont montré que, en conditions humides, ce sol produisait du N2O, avec des pics d'émission de 2 à 3,5 mgN/m²/j (GU et al.
2011). Des cylindres de sol non perturbé (diamètre 15 cm, hauteur 7 cm) ont été prélevés dans l'horizon de surface de ce sol (0 à 10 cm), lorsque ce dernier était à une humidité de 0.37 cm3.cm-3, proche du maximum d'humidité.
Les émissions de N2O les plus importantes ayant lieu pour des teneurs en eau proches de la saturation, c'est dans cette gamme que notre étude a été conduite.
Les cylindres de sol ont été placés dans des bacs dans lesquels le niveau de la solution de saturation peut être ajusté. Quatre paliers de teneur en eau ont été réalisés : stade "0", lorsque le cylindre est dans son état hydrique de prélèvement;
stade "2,2 cm", lorsque la hauteur d'eau atteint 2,2 cm par rapport à la base de l'échantillon; stade "5 cm", lorsque la hauteur d'eau atteint 5 cm par rapport à la base de l'échantillon; stade "7 cm", lorsque l'échantillon est complètement saturé.
La solution de saturation est une solution de nitrate de potassium à 10 g.l-1, qui correspond à une concentration dans le sol de 2000 mgN/kg sol sec, très
excédentaire pour la dénitrification. La température a été maintenue constante pendant toute la durée des mesures.
2.2. Caractérisation des émissions de N2O et de la structure du sol
Les mesures d'émission de N2O ont été réalisées à l'aide d'un analyseur Megatec 46i, branché sur une enceinte hermétique de grand volume (25 l) dans laquelle on installe chaque cylindre de sol dans son bac de saturation. La concentration dans la chambre de mesure a été enregistrée chaque minute puis convertie en flux.
A l'issue des expérimentations, l'indice d'eau à chaque palier de saturation a été recalculé à partir de mesures de masse volumique apparente et de caractérisation des échantillons de sol en porosimétrie à mercure.
3. RÉSULTATS ET CONCLUSION
Le suivi des émissions de N2O, réalisé sur quatre échantillons de sol, présente une dynamique identique (cf. Fig. 1). On montre que, pour une teneur en eau donnée, les flux se stabilisent après environ 100 h et restent constants sur des périodes dépassant plusieurs jours, quel que soit l'échantillon. Au cours de l'humectation, c'est le premier apport d'eau qui contribue le plus à l'augmentation des flux. Lors du drainage, on observe des pics de flux très élevés (supérieurs à 1000 mgN/m²/j) mais ces flux décroissent très rapidement et redeviennent inférieurs à 1 mgN/m²/j en quelques jours.
0.1 1 10 100 1000 10000
0 500 1000 1500 2000
0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
0 500 1000 1500 2000
0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
0 500 1000 1500 2000
0.1 1 10 100 1000 10000
0 500 1000 1500 2000
Flux N20 (mgN/m²/j)
Durée (h)
Etat initial Imbibition 2,2 cm Imbibition 5 cm Imbibition 7 cm Dessiccation
0.1 1 10 100 1000 10000
0 500 1000 1500 2000
0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
0 500 1000 1500 2000
0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
0 500 1000 1500 2000
0.1 1 10 100 1000 10000
0 500 1000 1500 2000
Flux N20 (mgN/m²/j)
Durée (h)
Etat initial Imbibition 2,2 cm Imbibition 5 cm Imbibition 7 cm Dessiccation
Fig. 1 - Evolution des flux de N2O pour quatre échantillons de sol, en fonction du niveau de saturation des échantillons.
0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
0 200 400 600 800 1000 1200
Durée (h)
Flux (mgN/m²/j)
0.1 1 10 100 1000 10000
55 65 75 85 95 105
Indice d'eau (%)
Flux (mgN/m²/j)
Humectation Dessiccation
Fig. 2 - Evolution des flux de N2O pour un échantillon de sol lors de deux cycles d'humectation dessiccation.
Fig. 3 - Evolution des flux de N2O en humectation et en dessiccation en fonction de l'indice d'eau (moyenne des résultats pour 6 échantillons de sol)
0.01 0.1 1 10 100 1000 10000
0 200 400 600 800 1000 1200
Durée (h)
Flux (mgN/m²/j)
0.1 1 10 100 1000 10000
55 65 75 85 95 105
Indice d'eau (%)
Flux (mgN/m²/j)
Humectation Dessiccation
Fig. 2 - Evolution des flux de N2O pour un échantillon de sol lors de deux cycles d'humectation dessiccation.
Fig. 3 - Evolution des flux de N2O en humectation et en dessiccation en fonction de l'indice d'eau (moyenne des résultats pour 6 échantillons de sol)
La même dynamique est observée lorsqu’un échantillon est soumis à un second cycle d’humectation (cf. Fig. 2). Les valeurs absolues des flux sont, en revanche, légèrement plus faibles que lors du premier cycle, ce qui montre l’importance de l’historique hydrique du sol dans les émissions de N2O. L'interprétation des niveaux de saturation en terme d'indice d'eau, montre que les flux deviennent significatifs pour des indices d'eau supérieurs à 75 % (cf. Fig. 3), et qu'au-delà de 80%, ils sont plus élevés en dessiccation qu'en humectation. Cette hystérèse confirme les observations de GROFFMAN et TIEDJE (1988) et CASTELLANO et al. (2010). Pour progresser dans la compréhension du déterminisme des émissions de N2O par les sols, il sera désormais nécessaire i) d'utiliser des dispositifs expérimentaux permettant de contrôler rigoureusement le potentiel hydrique afin de mettre en relation l’hystérèse de la courbe de rétention en eau et celle - démontrée ici - des émissions de N2O et, ii) d’analyser plus finement l’effet de l’historique hydrique sur les émissions.
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CASTELLANO M.J., SCHMIDT J.P., KAYE J.P., WALKER C., GRAHAM C.B., LIN H., DELL C.J., 2010 – Hydrological and biogeochemical controls of the timing and magnitude of nitrous oxide flux across an agricultural landscape. Global Change Biology, 16, 2711-2720.
GROFFMAN P.M., TIEDJE J.M., 1988 – Denitrification hysteresis during wetting and drying cycles in soil. Soil Science Society of America Journal, 52, 1626-1629.
GU J., NICOULLAUD B., ROCHETTE P., GROSSEL A., HÉNAULT C., CELLIER P., RICHARD G., 2011 – Effects of topography and soil types on nitrous oxide emissions from tile-drained fields in Central France. Environmental Pollution, special issue, sous presse.
