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Les organismes du sol contribuent ils aux émissions de gaz à effet de serre ?



Cadre, focus et mise au point :

Les études sur le réchauffement climatique et les émissions de gaz à effet de serre se sont multipliées au cours des dernières décennies. La communauté scientifique s’accorde à dire que les sols jouent un rôle non négligeable dans le stockage et le déstockage de composés sources de gaz à effet de serre (GES). Il a été mis en évidence que les sols émettent du dioxyde de carbone CO2, de l’oxyde nitreux N2O, et du méthane CH4, qui font partie des principaux gaz à effet de serre (GES). Néanmoins les sols constituent également un réservoir de carbone (composé source de GES) et pourraient être utilisés pour séquestrer les GES et palier au dérèglement climatique.
Le sol représente le milieu de vie de nombreux organismes :
-des microorganismes tels que des bactéries et des champignons
-des macroorganismes tels que les vers de terre, les nématodes et des arthropodes

La formation de GES dans le sol est en grande partie le produit de processus biotiques microbiens : la dénitrification peut produire du N2O, la respiration produit du CO2, la méthanogenèse produit du CH4, et la méthanotrophie consomme du CH4 mais produit du CO2. Ces processus dépendent des propriétés physico-chimiques du sol (porosité, disponibilité en carbone et en azote, humidité, température, pH, structure des agrégats) et des communautés microbiennes présentes.

Les macro-organismes du sol, tels que les vers de terre, peuvent en modifiant des propriétés physico-chimiques du sol et en interagissant avec les microorganismes influencer les émissions de GES. Les scientifiques ont alors cherché à comprendre l'action de ces organismes sur la balance des GES :
Ces organismes font-il augmenter les émissions de GES ou au contraire permettent-ils une diminution des émissions de GES par le sol ?
De nombreuses études ont été réalisée pour tenter de répondre à cette question et les scientifiques ne sont pas tous d'accord. Certains soutiennent l'hypothèse que les organismes du sol font augmenter les émissions de GES tandis que d'autres soutiennent qu'au contraire l'action de ces organismes permet une diminution des émissions de GES à long-terme. Le rôle de la faune du sol dans les émissions de GES reste donc extrêmement controversée.

Publiée il y a plus de 6 ans par G. Lextrait et A. Duhamet.
Dernière modification il y a plus de 6 ans.

Figure 1: Cycle du carbone et de l’azote dans le sol, réalisé par les bactéries en milieu oxique ou anoxique à partir de la matière organique (MO). DN : Dénitrification. (Bertrand et al., 2009)

La synthèse :

Enjeux et processus écologiques

Depuis la révolution industrielle, le taux d’émissions de gaz à effet de serre (GES) a fortement augmenté. Ceci est notamment dû à l'augmentation des activités industrielles et de transports associées à l'utilisation d'énergies fossiles, ainsi qu’aux pratiques culturales et d’aménagement des sols (GIEC, 2014). Les activités anthropiques ont contribué à perturber les cycles du carbone (C) et de l’azote (N) des écosystèmes terrestres [1].

La communauté scientifique s’accorde à dire que les sols jouent un rôle non négligeable dans le stockage et le déstockage de composés sources de gaz à effet de serre (GES) [2]. Le dioxyde de carbone (CO2), le protoxyde d'azote (N2O) et le méthane (CH4) sont des gaz à effet de serre. Il est estimé que 20% du CO2, 66% du N2O et 33% du CH4 sont émis par les sols [3]. Les sols sont également considérés comme des réservoirs de carbone, pouvant jouer un rôle essentiel dans l’atténuation de l'émission de GES [4]. Ils font de ce fait l’objet d’un intérêt croissant, aussi bien de la part des scientifiques que du monde politique, qui considèrent maintenant les sols comme l’une des solutions pour palier le dérèglement climatique. L’initiative « 4 pour 1000 » lancée à l’occasion de la COP21 a suscité un engouement mondial pour l’étude des sols. Cette initiative considère qu’en augmentant tous les ans le stock de carbone des sols de 0,4%, le climat pourrait rester en dessous de la barre des +2°C de réchauffement climatique mondial moyen.
Le sol abrite de nombreux organismes : des microorganismes (par exemple des bactéries et des champignons) et des macro-organismes (par exemple des vers de terre et des arthropodes). La production de GES par les sols dépend fortement des communautés microbiennes présentes mais également des propriétés physico-chimiques du sol telles que la disponibilité en eau, en azote et en carbone ainsi que la porosité, la structure des agrégats, le pH et la température [5][3].
La formation de GES dans le sol est en grande partie le produit de processus biologiques microbiens. Les microorganismes dégradent 85 à 90 % de la matière organique du sol, produisant du CO2, du N2O et du CH4 [6]. Certaines bactéries dénitrifiantes sont capables de produire du N2O via le processus de dénitrification. Lors de la dénitrification, le nitrate est minéralisé en N2 en milieu anoxique, ou en N2O en milieu oxique [7]. Il a également été remarqué qu’une grande proportion des espèces de champignons sont capables de produire du N2O [8]. Certaines bactéries peuvent produire du CH4 par méthanogenèse en situation anoxique. D’autres bactéries peuvent produire du CO2 à partir du CH4 par méthanotrophie ou par la respiration à partir de l’O2 en milieu oxique [9] (Figure 1).

Les macro-organismes du sol peuvent, en modifiant des propriétés physico-chimiques du sol et en ayant un effet sur les communautés de microorganismes, influencer les émissions de GES [10][11].
Les scientifiques ont alors cherché à comprendre l'action de la faune du sol sur la balance émission-séquestration des GES. Les organismes du sol contribuent-ils à une augmentation, ou au contraire une diminution des émissions de GES ?

L’activité de certains organismes du sol augmenterait les émissions de GES

Certaines études soutiennent que l’activité biologique des macro-organismes font augmenter les émissions des GES provenant du sol. Une méta-analyse a montré que les vers de terre peuvent faire augmenter les émissions de CO2 et N2O respectivement de 33% et 42% [12]. Ce résultat est soutenu par un article plus récent[13]. Une autre étude a montré que les nématodes font également augmenter significativement les émissions de CO2 et de N2O [10]. Concernant les arthropodes, il a été montré que l’activité des dendroctones du fumier (coléoptères) font augmenter les émissions de CO2, N2O et CH4 avec un impact plus important sur les émissions de N2O et CH4 [14].

L’activité des organismes du sol pourrait faire diminuer les émissions de GES
La faune du sol semble faire augmenter les émissions de GES. Cependant cela n’est pas si simple et l’effet des organismes sur la balance des GES est complexe. D’autres expériences montrent que la diversité de la faune du sol fait effectivement augmenter les émissions de CO2 (jusqu'à 10 %), mais diminue les émissions de N2O du sol (jusqu'à 62 %)[15]. Les auteurs stipulent qu’une plus grande diversité fonctionnelle de la faune du sol augmenterait l'intensité des processus microbiens et entraînerait une décomposition plus complète de la litière avec une augmentation des émissions de CO2, mais également une dénitrification plus complète avec une diminution des émissions de N2O. L'augmentation de la diversité des espèces de la faune du sol aurait donc le potentiel d'atténuer les émissions de N2O qui est un GES à fort pouvoir de réchauffement global. De même, une autre étude [16] montre qu’une augmentation de l'aération du sol par la faune du sol (nématodes, acariens, collemboles, isopodes et annélides) réduirait les émissions de N2O.
L’effet sur les GES n’est pas toujours généralisable à tout un groupe taxonomique et peut dépendre des interactions entre les organismes. A titre d’exemple, les champignons sont pour la plupart des producteurs de N2O [8] mais il a été montré que les champignons mycorhiziens arbusculaires, en s’associant avec les racines de leur plante hôte, permettent au contraire une diminution des émissions de N2O du sol [17].

L’effet des vers de terre sur les émissions des GES reste des plus controversé. En effet, plusieurs publications remettent en doute l’effet de l’activité des vers de terre sur les émissions de GES en suggérant qu’ils pourraient à long-terme, permettre une plus importante séquestration du carbone et ainsi une diminution des émissions de GES [11][18]. Zhang et ses collaborateurs [11] ont publiés en 2013 une critique de la méta-analyse de Lubber et son équipe[12]. Ils ont montré que cette méta-analyse était issue d’expérimentations à court-terme et que les effets à long-terme pourraient être différents. Les auteurs suggèrent que l’augmentation des émissions de CO2 par l'activité des vers de terre pourrait être surestimée. La stabilisation du carbone étant un processus lent, il pourrait être sous-estimé par ce biais de durée expérimentale. L’activité des vers de terre pourrait permettre, à long-terme, d’augmenter la séquestration du carbone dans les sols et diminuer ainsi les émissions de CO2. D’autres travaux portant sur la drilosphère (substrat lié aux activités de bioturbation des lombriciens)[18], ont également montré que les vers de terre jouent un rôle important dans le stockage du carbone. La mobilité des vers de terre dans les sols et leurs sécrétions de mucus augmentent la porosité des sols et favorisent la formation d’agrégats (taille et stabilité), ce qui favorise la séquestration du carbone. Cependant, une étude sur le long-terme (750 jours) n’a pas mis en évidence cette augmentation de stockage de carbone dans les sols grâce à l'activité des vers de terre [13]. L’effet des vers de terre sur la balance émission de CO2 et séquestration de carbone reste donc controversée.
De plus, les auteurs de certains articles soulignent que l’émission de CO2 à l'échelle de l'écosystème est difficile à quantifier [3][11]. Les vers de terre interagissent avec les espèces végétales et ont une influence sur la productivité des plantes. L'activité des vers de terre améliore la production primaire et fait donc augmenter la fixation du carbone par les plantes. Ainsi, les émissions de CO2 stimulées par les vers de terre peuvent être partiellement compensées ou même surcompensées par l’absorption du carbone résultant de l'assimilation de CO2 par les plantes.
L’effet des vers de terre sur la production de CH4 est également sujet à controverse. En effet, certaines études montrent une augmentation des émissions de CH4 en présence de vers de terre tandis que d'autres études soutiennent une diminution des émissions de CH4 en leur présence [3]. Les vers de terre peuvent stimuler deux actions antagonistes. D’une part ils stimulent les organismes méthanotrophiques en permettant une meilleure aération du sol (disponibilité d'O2 dans les microsites), induisant ainsi une diminution de la production de CH4 [19]. D’autre part, ils stimulent les organismes méthanogènes dans leur tube digestif qui offre des conditions favorables pour la formation de CH4.

Conclusion
L’effet des organismes du sol sur la balance des GES reste controversée au sein de la communauté scientifique. Cette controverse résulte principalement des difficultés à réaliser des expériences sur la balance séquestration-émission des GES des sols. Les effets des organismes sur cette balance peuvent différer en fonction de leur abondance dans le milieu, des espèces, de leur diversité, de leurs interactions et des propriétés des sols où ils se trouvent. Différents groupes fonctionnels et réseaux trophiques peuvent donc être impliqués dans la variabilité des émissions des gaz à effet de serre.
Les différentes méthodes de mesure utilisées, les échelles expérimentales, la durée des expérimentations et la dépendance aux propriétés des sols, engendrent divers effets sur l’émission ou le stockage des GES. Les causes de la variabilité ne sont souvent pas clairement identifiées. Il est donc difficile de généraliser certains résultats obtenus à l’ensemble des sols. Il existe plusieurs techniques d’étude des cycles des nutriments dans les sols. Certaines peuvent être préférées en fonction de la question de recherche posée, de la méthode expérimentale choisie (laboratoire ou in-situ), du temps et du budget disponible. L’ensemble des choix faits par les chercheurs à ces sujets ont un impact sur les résultats obtenus et les interprétations qui en sont faites [9].

Les études s’intéressant aux émissions de GES des sols doivent prendre en compte les effets à long terme de la variabilité saisonnière. Peu d’études de plus de 200 jours ont été menées, que ce soit en laboratoire ou sur le terrain. Nous ne savons toujours pas dans quelle mesure les effets stimulants les vers de terre sur la production primaire nette, peuvent interférer avec la production de GES [12]. Plus d’études incluant des plantes dans les dispositifs expérimentaux doivent être réalisées afin d’estimer le bilan net des flux de GES. Mieux connaître les facteurs influençant la dynamique des flux de GES permettrait de guider les politiques de gestion et d’aménagement des sols, en favorisant la séquestration des GES.

Publiée il y a plus de 6 ans par G. Lextrait et collaborateurs..
Dernière modification il y a plus de 6 ans.

Cette synthèse se base sur 19 références.

Les organismes du sol contribuent ils aux émissions de gaz à effet de serre ?
Emissions ges  ou  Séquestration ges ?



Les dendroctones du fumier augmentent les flux de gaz à effet de serre provenant du fumier dans une prairie tempérée du Nord

Article - 2019 - Journal of Environmental Quality
Dung Beetles Increase Greenhouse Gas Fluxes from Dung Pats in a North Temperate Grassland
Kenneth S. Evans, Martha Mamo,* Ana Wingeyer, Walter H. Schacht, Kent M. Eskridge, Jeff Bradshaw, and Daniel Ginting

La diversité de la faune du sol augmente les émissions de CO2 mais supprime les émissions de N2O du sol

Article - 2019 - Global Change Biology
Soil fauna diversity increases CO2 but suppresses N2O emissions from soil
Lubbers, Ingrid M. Berg, Matty P. De Deyn, Gerlinde B. van der Putten, Wim H. van Groenigen, Jan Willem

Les vers de terre sont-ils des protagonistes ou des antagonistes dans les émissions des gaz à effet de serre du sol ?

Review - 2018 - International Journal of Environmental Science and Technology
Is earthworm a protagonist or an antagonist in greenhouse gas (GHG) emissions from the soil?
A. Singh et G. S. Singh

Réduction du potentiel d'atténuation des émissions de gaz à effet de serre dans les sols sans labour du fait de l'activité des vers de terre

Article - 2015 - Scientific Reports
Reduced greenhouse gas mitigation potential of no-tillage soils through earthworm activity
Ingrid M. Lubbers, Kees Jan van Groenigen, Lijbert Brussaard & Jan Willem van Groenigen

La production de N2O, un trait répandu chez les champignons

Article - 2015 - Scientific Reports
N2O production, a widespread trait in fungi
Koki Maeda, Aymé Spor, Véronique Edel-Hermann, Cécile Heraud, Marie-Christine Breuil, Florian Bizouard, Sakae Toyoda, Naohiro Yoshida, Christian Steinberg & Laurent Philippot

Les vers de terre endogéniques réduisent la production nette de méthane dans les sols riverains saturés

Article - 2014 - Biol Fertil Soils (2015) 51:271–275
Endogeic earthworms lower net methane production in saturated riparian soils
Maria Kernecker & Joann K. Whalen & Robert L. Bradley

Les émissions de gaz à effet de serre provenant des sols sont augmentées par les vers de terre.

Review - 2013 - Nature Climate Change
Greenhouse gas emissions from soils increased by earthworms
Ingrid M. Lubbers, Kees Jan van Groenigen , Steven J. Fonte, Johan Six, Lijbert Brussaard and Jan Willem van Groenigen

La faune invertébrée du sol affecte les émissions de N2O du sol

Article - 2013 - Global Change Biology
Soil invertebrate fauna affect N2O emissions from soil
Imke Kuiper, Gerlinde B. de Deyn, Madhav P. Thakur, Jan Willem van Groenigen

Les vers de terre facilitent la séquestration du carbone via une amplification inégale de la stabilisation du carbone par rapport à la minéralisation

Article - 2013 - NATURE COMMUNICATIONS
Earthworms facilitate carbon sequestration through unequal amplification of carbon stabilization compared with mineralization
Weixin Zhang , Paul F. Hendrix, Lauren E. Dame, Roger A. Burke, Jianping Wu, Deborah A. Neher, Jianxiong Li, Yuanhu Shao & Shenglei Fu

Les relations symbiotiques entre les champignons du sol et les plantes réduisent les émissions de N2O provenant du sol

Article - 2013 - The ISME Journal volume
Symbiotic relationships between soil fungi and plants reduce N2O emissions from soil
S Franz Bender, Faline Plantenga, Albrecht Neftel, Markus Jocher, Hans-Rudolf Oberholzer, Luise Köhl, Madeline Giles, Tim J Daniell & Marcel GA van der Heijden

LES ÉMISSIONS DE GAZ À EFFET DE SERRE (CO2 ET N2O) PROVENANT DES SOLS.

Review - 2010 - CHILEAN JOURNAL OF AGRICULTURAL RESEARCH
GREENHOUSE GAS (CO2 AND N2O) EMISSIONS FROM SOILS: A REVIEW
Cristina Muñoz, Leandro Paulino, Carlos Monreal, and Erick Zagal

Influence des nématodes et des vers de terre sur les émissions de gaz à effets de serre CO2 et N2O

Article - 2008 - Acta Ecologica Sinica
Influence of nematodes and earthworms on the emissions of soil trace gases (CO2, N2O)
Luo Tianxiang, Li Huixina, Wang Tonga, Hu Feng

Préservation des sols et du carbone du sol par le biais de contraintes d'habitat et de limitations biologiques de l'activité des décomposeurs

Review - 2008 - J. Plant Nutr. Soil Sci.
Soil-carbon preservation through habitat constraints and biological limitations on decomposer activity
Klemens Ekschmitt, Ellen Kandeler, Christian Poll, Andreas Brune, Francois Buscot, Michael Friedrich, Gerd Gleixner, Anton Hartmann, Matthias Kästner, Sven Marhan, Anja Miltner, Stefan Scheu, and Volkmar Wolters

Les sols, un puits pour le N2O ? Une review

Review - 2007 - Global Change Biology
Soils, a sink for N2O? A review
Chapuis-lardy, Lydie Wrage, Nicole Metay, Aurélie Chotte, Jean Luc Bernoux, Martial

Emissions de N2O par nitrifiation et dénitrifiation à l’échelle de la motte de sol: effet de la structure du sol, de l’aération et des activités microbiennes

Thèse - 2005 - THESE DE DOCTORAT DE L’UNIVERSITE PARIS 6
Emissions de N2O par nitrifiation et dénitrifiation à l’échelle de la motte de sol: effet de la structure du sol, de l’aération et des activités microbiennes.
Karima Khalil

Protection du carbone du sol par des micro-agrégats dans les turricules du vers de terre

Article - 2005 - Soil Biology & Biochemistry
Protection of soil carbon by microaggregates within earthworm casts
Heleen Bossuyt, Johan Six , Paul F. Hendrix

Séparer les contributions des racines et des microorganismes à la respiration du sol : Une revue des méthodes et des observations

Review - 2000 - Biogeochemistry
Separating root and soil microbial contributions to soil respiration: A review of methods and observations
Hanson, P. J., Edwards, N. T., Garten, C. T., Andrews, J. A.