Root contribution to soil carbon stocks along the soil profile of two contrasted agroforestry systems˸ distribution, decomposition and impact on carbon and nutrient mineralization
Contribution des racines aux stocks de carbone dans le profil de sol de deux systèmes agroforestiers contrastés ˸ distribution, décomposition et impact sur la minéralisation du carbone et des nutriments
Résumé
In the severe context of climate change, the soil carbon (C) sequestration in the agricultural systems could help to maintain their fertility and reduce the concentration of greenhouse gases in the atmosphere. Roots could contribute to increasing soil C stocks due to their longer soil residence time compared to the aerial plant parts, and their ability to reach different soil layers, including deep ones (> 30 cm depth). This thesis aimed to identify the contribution of the roots of perennial and annual plant species to soil C stocks in two contrasted agroforestry systems. The study, mainly in the field, considered soils up to depths of 100 - 150 cm, and the spatial heterogeneity of the agroforestry systems. In the Faidherbia-Flux agroforestry park under semi-arid climate (Niakhar, Senegal), Faidherbia albida trees about 70 years old are randomly distributed, and rotations of groundnuts and millet are grown even under the trees. The still young DIAMS system established in 2017 in a Mediterranean climate (Mauguio, France) is in a linear arrangement with Robinia pseudoacacia and completed with a 2-m wide grass strip. Crop rotations are durum wheat, barley and peas grown in 15-m wide strips. Both sites have low soil C stocks (24 tC ha-1 between 0 and 150 cm depth in the Senegalese park and 56 tC ha-1 between 0 and 100 cm in the French site) and N fixing trees.The results showed a complementarity of the ecological niches of the root systems. In both sites, the roots of perennial species did not interfere with the development of annual crop roots. Root litter derived C inputs represented 0.7% of the soil C stocks between 0 and 100 cm in the French site and 1.5% between 0 and 150 cm in the agroforestry parks in Senegal. From the total C inputs in the French site (3.0 tC ha-1 yr-1), 12.6% were derived from root litters. Deep roots contributed particularly, since 50 to 75% of the root biomass was found below 20 cm of depth. Among the C inputs into the F. albida park (0.5 tC ha-1 yr-1), 67.3% of the C inputs were derived from the root litters, including 37.7% below a depth of 10 cm. To assess in situ root decomposition, an innovative method was used (scanners buried in different soil layers). Barley root decomposition started early; 50% of the root volume was already lost at the flowering stage. Then, the decomposition of the root stele, more recalcitrant, lasted 16 months. Our observations under controlled conditions showed the role of nutrient availability (N and P) on priming effect mechanisms in the subsoil. C inputs in quantities equivalent to the annual root litter derived inputs (70 mgC kgsoil-1) lead to a priming effect in the subsoil of 85 mgC kgsoil-1 in N-unlimited conditions. Last, the soil C balance carried out after 3-5 years of agroforestry estimated greater C inputs in the French agroforestry system than in the pure crop (+0.85 tC ha-1 considering the entire rooted profile, mainly due to the aerial turnover of perennial species), while equivalent CO2 emissions between land uses (6.7 tC ha-1 yr-1).Given the implication of the subsoil in C storage in the agroforestry systems, their integration in future studies modelling soil organic matter dynamics is required and should take into account their specificities compared to the topsoil. This could allow to precise the potential of soil C sequestration in agroforestry systems.
Dans le contexte actuel d'urgence climatique, la séquestration du carbone (C) dans les sols des systèmes agricoles est encouragée pour maintenir leur fertilité et participer à la réduction de la concentration en gaz à effet de serre dans l'atmosphère. Les racines pourraient contribuer à l'augmentation des stocks de C dans le sol du fait de leur temps de résidence dans le sol supérieur aux parties aériennes des plantes et de leur capacité à atteindre différents horizons de sol, y compris profonds (> 30 cm de profondeur). Cette thèse vise à identifier la contribution des racines d'espèces pérennes et annuelles aux stocks de C dans les sols jusqu'à 150 cm de profondeur, dans deux systèmes agroforestiers contrastés, en incluant l'hétérogénéité spatiale induite par ces écosystèmes. Dans le parc agroforestier Faidherbia-Flux en climat semi-aride (Niakhar, Sénégal), des arbres Faidherbia albida âgés d'environ 70 ans sont dispersés aléatoirement, et des rotations d'arachide et mil sont cultivées jusque sous les arbres. Le dispositif encore jeune DIAMS implanté en 2017 en climat méditerranéen (Mauguio, France) est en arrangement linéaire avec du Robinia pseudoacacia et complété d'une bande enherbée de 2 m de large. Les rotations culturales (blé dur, orge et pois) sont cultivées en bandes de 15 m de large entre les lignes d'arbres. Les deux sites présentent de faibles stocks de C dans le sol (24 tC ha-1 entre 0 et 150 cm de profondeur dans le parc sénégalais et 56 tC ha-1 entre 0 et 100 cm dans le dispositif français) et les arbres sont tous fixateurs d'azote.Les résultats de cette thèse montrent une complémentarité des niches écologiques des systèmes racinaires. Dans les deux sites, les racines des espèces pérennes n'interfèrent pas ou peu avec le développement des racines des cultures annuelles. Les entrées de C dérivé des litières racinaires représentent 0.7% des stocks de C des sols entre 0 et 100 cm dans le site français et 1.5% entre 0 et 150 cm dans le parc au Sénégal. Parmi les entrées totales de C (3.0 tC ha-1an-1) dans le dispositif français, 12.6% viennent des litières racinaires. Les racines profondes y contribuent particulièrement puisque 50 à 75% de la biomasse racinaire se trouve sous 20 cm de profondeur. Parmi les entrées de C (0.5 tC ha-1an-1) dans le parc à F. albida, 67.3% viennent des litières racinaires, dont 37.7% sous 10 cm de profondeur. La décomposition racinaire a été observée in situ avec une méthode innovante (scanners enfouis à différentes profondeurs de sol). Nous montrons que la décomposition racinaire de l'orge débute tôt ; 50% du volume racinaire est déjà perdu au stade floraison. Puis la décomposition du cylindre central, plus récalcitrant, dure 16 mois. Nos observations en conditions contrôlées démontrent le rôle de la disponibilité en nutriments (N et P) sur les mécanismes de priming effect dans les horizons profonds. Lors d'entrées de quantités de C équivalentes aux entrées annuelles par les litières racinaires (70 mgC kgsoil-1), nous avons mesuré un priming effect en profondeur de 85 mgC kgsoil-1 en conditions non limitantes en N. Enfin, le bilan C du sol réalisé après 3-5 ans de différenciation des usages de sol estime des entrées de C plus importantes en système agroforestier qu'en culture pure (+0.85 tC ha-1 en considérant la totalité du profil enraciné, principalement grâce au turnover aérien des espèces pérennes) et des émissions de CO2 équivalentes entre les usages de sols (6.7 tC ha-1an-1).Vu l'implication des horizons profonds dans le stockage de C dans le sol des systèmes agroforestiers, leur intégration dans les travaux de modélisation de la dynamique de la matière organique des sols est nécessaire et doit prendre en compte leurs spécificités par rapport aux sols de surface ; cela permettra de préciser le potentiel de séquestration de C dans le sol des systèmes agroforestiers.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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