Whole-soil warming effects on biogeochemical carbon cycling under contrasting agricultural land management
Impact du réchauffement du sol sur le cycle biogéochimique du carbone sous diverses pratiques agricoles
Résumé
Agricultural management influences 40% of Earth's land area, plays a key role in soil carbon (C) dynamics and storage. Yet its combined effect with global warming on soil organic C (SOC) storage in deep horizons remains uncertain. This knowledge gap stems from limited understanding of microbial processes underlying SOC dynamics in subsoils, while most research continues to focus on surface soils (0–30cm). As a result, the responses of subsoil microbial communities (>30cm) to warming, within the context of different agricultural management practices, remain largely understudied, despite their critical role in ecosystem functions and services.This study examined the effects of whole-soil warming (+4°C) on C cycling, microbial resilience and soil functionality in cropland and grassland. Using a multidisciplinary approach, it explored interactions between agricultural practices, warming-induced ecosystem changes and mechanisms driving soil health and sustainability. To achieve these aims, an in-situ whole-soil warming (+4°C) experiment, started in 2021, provided data over 3 consecutive years to 1m depth. The study focused on critical soil processes, including CO₂ production, surface fluxes and water content across depths, to investigate C cycling dynamics. It also examined microbial biomass and diversity to assess structure and resilience of microbial communities under varying management practices. Additionally, functional indicators such as enzymatic activity and eco-enzymatic stoichiometry (ES), were measured to explore microbial roles in nutrient cycling and soil health.The results showed that warming reduced soil moisture in both grassland and cropland, impacting CO₂ production. The impacts on soil CO₂ efflux depend on season and management practices. Subsoil CO₂ production in grassland (42%) was more sensitive to warming than in cropland (10%), while topsoil CO₂ production decreased (by 4.2%) in cropland but not in grassland. Despite these warming responses of CO₂ production and efflux, microbial biomass and diversity remained unchanged across soil profile under both land management. However, warming disrupted microbial communities, with bacteria being more affected than fungi. This disruption reduced 53% of microbial network complexity in cropland, compared to 40% decline in grassland across soil profile. Grassland microbial networks exhibited greater resilient to warming than those in cropland. Notably in cropland, all microbial interactions were impacted by warming, while in grassland, the effects were limited to bacterial-bacterial interactions. These microbial responses were mirrored by contrasting effects on SOC dynamics depending on management. In grassland, SOC storage remained stable across depths, whereas in cropland, SOC storage declined by 18% in surface soil but increased by 86% in deep soil. These shifts aligned with changes in CN-acquiring enzyme activities, ES and bacterial communities' composition, suggesting a microbial-driven mechanism linked to SOC decomposition and/or C inputs. These findings highlight the depth-specific and management-mediated responses of microbial metabolism and soil C dynamics to warming emphasizing vital role of land management in shaping soil ecosystem resilience to climate change.In conclusion, agricultural practices significantly influence warming induced responses of CO₂ production and efflux, microbial communities and SOC dynamics. The contrasting responses observed in grassland and cropland suggest that soil management strategies could play a critical role in either mitigating or exacerbating warming-driven changes in microbial metabolism and SOC storage. This study highlights the need for management practices that enhance microbial resilience, particularly in croplands, while suggesting long-term research to unravel microbial driven SOC persistence and develop depth-specific strategies to sustain SOC stocks, nutrient cycling and agroecosystem resilience under climate change
La gestion des pratiques agricoles, qui impacte environ 40 % des terres émergées, joue un rôle clé dans la transformation des écosystèmes terrestres, notamment sur le stockage du carbone organique du sol (COS). Cependant, l'effet combiné de ces pratiques et du réchauffement climatique sur le COS des horizons profonds reste peu compris, en raison du manque de recherches sur les processus microbiens des horizons profonds du sol, souvent limités aux 30 premiers centimètres. Les réponses des communautés microbiennes des horizons profonds (>30 cm) au réchauffement, ainsi que leurs interactions avec les pratiques agricoles, demeurent largement inexplorées, bien que cruciales pour la santé des sols et les services écosystémiques.Cette thèse a analysé les effets d'un réchauffement in situ (+4 °C) sur l'ensemble du profil du sol jusqu'à 1 mètre de profondeur, en prairies et terres cultivées. Des données collectées sur trois ans ont permis d'évaluer les interactions entre pratiques agricoles, réchauffement et durabilité des sols. Les analyses ont porté sur la production de CO₂, les flux en surface, l'humidité des sols, ainsi que sur la biomasse, la diversité et la résilience des communautés microbiennes. Les activités enzymatiques et la stœchiométrie éco-enzymatique ont été examinées pour comprendre les rôles microbiens dans les cycles des nutriments.Les résultats montrent que le réchauffement réduit l'humidité des sols en prairies et terres cultivées, tout en modifiant la production de CO₂. Dans les horizons profonds des prairies, la production de CO₂ a augmenté de 42 %, contre 10 % dans les terres cultivées. En surface, une diminution de 4.2 % a été observée dans les terres cultivées, tandis qu'elle est restée stable en prairies. La biomasse et la diversité microbiennes ont peu changé globalement, mais les communautés microbiennes ont été significativement perturbées. Les bactéries ont été davantage affectées que les champignons, avec une réduction de 53 % de la complexité des réseaux microbiens dans les terres cultivées, contre 40 % dans les prairies.Ces perturbations ont engendré des dynamiques contrastées du COS. En prairies, le stockage de COS est resté stable, tandis qu'en terres cultivées, une diminution de 18 % en surface et une augmentation de 86 % en profondeur ont été constatées. Ces variations sont liées aux activités enzymatiques, à la stœchiométrie et à la composition des communautés bactériennes, suggérant un rôle microbien dans la décomposition du COS.En conclusion, les pratiques agricoles influencent fortement les réponses des sols au réchauffement, notamment la production de CO₂, les communautés microbiennes et les dynamiques du COS. Les différences observées entre prairies et terres cultivées montrent que des stratégies adaptées peuvent atténuer ou accentuer les effets du réchauffement. Cette thèse souligne l'importance de promouvoir des pratiques renforçant la résilience microbienne, en particulier dans les terres cultivées, pour préserver les stocks de COS et les cycles des nutriments face au changement climatique.
Mots clés
Domaines
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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