Analyse des couplages temporels des flux de CO2 et N2O produits par décomposition des litières végétales

Découvrir les mécanismes et outils de la Nature pour utiliser au mieux le carbone renouvelable et contribuer ainsi au développement durable, telle est l’ambition de l’Unité Mixte de Recherche FARE (Fractionnement des AgroRessources et Environnement).

Notre mission dans le réseau des laboratoires de nos tutelles INRAE et URCA est de travailler sur trois points clés de la transformation biologique et/ou technologique des biomasses végétales lignocellulosiques, pour des usages non alimentaires :

- la dégradation au champ des lignocelluloses (résidus de culture, litières) par les microorganismes du sol, pour assurer le maintien de sa fertilité et favoriser les services écosystémiques garants d’une production agricole durable (gestion des intrants, cycles du C et de l’N,…) ;

- le fractionnement par des procédés biotechnologiques enzymatiques ou microbiens des lignocelluloses, pour la production de molécules d’intérêt pour la chimie et l’énergie, en respectant les principes d’une chimie verte (bioéthanol 2G, molécules tensio-actives à base de sucres,…) ;

- l’utilisation de fibres et de polymères agrosourcés, pour la réalisation de matériaux nanostructurés innovants aux propriétés optiques inédites (films et revêtements de protection) et de matériaux composites aux performances d’usage et environnementale particulièrement favorables (légèreté, recyclabilité, biodégradabilité,…).

Contexte et enjeux dans lesquels s’inscrit le stage

Le retour au sol des résidus de culture est une pratique qui alimente de nombreux services écosystémiques (Ranaivoson et al., 2017). Elle permet (i) de réguler les flux hydriques et thermiques par couverture des sols, (ii) de maintenir la fertilité des sols par entretien du stock de matières organiques minéralisables, potentiellement accentuée dans le cas de la restitution de légumineuses, et (iii) d’atténuer le changement climatique. Ce dernier service n’est cependant effectif que si la stabilisation dans le sol du carbone apporté par restitution des résidus de culture, n’est pas contre balancée par des émissions de protoxyde d’azote (N₂O) (Lugato et al., 2018, Guenet et al., 2021), gaz au pouvoir de réchauffement global 270 fois supérieur à celui du dioxyde de carbone (CO₂).

Les processus régulant les émissions de N₂O après restitution aux sols des résidus de culture sont étroitement liés à ceux contrôlant la décomposition de ces résidus (Olesen et al., 2023). Les matières organiques des litières végétales, fournissent carbone et énergie aux communautés microbiennes hétérotrophes qui les décomposent et les minéralisent. Le carbone minéralisé en CO₂, l’azote minéralisé en ammonium (NH₄⁺) et les matières organiques, produits de ces processus de décomposition et minéralisation alimentent les besoins en électrons, carbone et azote des autres communautés microbiennes du sol. Selon les conditions d’oxygénation du milieu, les communautés microbiennes peuvent activer une diversité de voies métaboliques de transferts d’électrons et/ou de détoxification de leur milieu responsables d’émissions de N₂O (e.g., oxydation de l’hydroxylamine au cours de la nitrification, réduction du nitrite par les bactéries nitrifiantes ou dénitrifiantes) (Keuschnig, 2018). Ces voies métaboliques sont régulées par des interactions complexes et dynamiques entre les microorganismes (décomposeurs, nitrifiants, dénitrifiants), les substrats et leur disponibilité (minéralisation, assimilation, dissimilation, compétitions, inhibitions), ainsi que les conditions environnementales (oxygénation, teneurs en eau, températures, pH). Chaque apport au sol de litières végétales, notamment en fonction des quantités et de la disponibilité du carbone et de l’azote apportés, modifie ces équilibres et est donc susceptible de provoquer des émissions de N₂O.

Si le lien entre processus de décomposition des résidus de culture, suivis à partir de la minéralisation de leur carbone (C) sous forme de CO₂, et processus d’émissions de N₂O est connu (cf. Figure 8 dans Chen et al., 2013). Cette corrélation positive établie à partir des flux totaux observés sur des expérimentations indépendantes ne précise pas la dynamique temporelle de la relation Flux_N2O = f(Flux_CO2), développée au cours de chacune des expérimentations permettant sa construction, et pouvant varier d’une expérimentation à l’autre. La cascade des processus intermédiaires activés, la chronologie dans laquelle ils le sont et les différents leviers de leur activation ne sont pas caractérisés.

Objectifs et méthodes

L’objectif de ce stage est d’investiguer le potentiel informatif de l’étude des dynamiques temporelles des flux de CO₂ et de N₂O produits par décomposition de litières végétales en conditions contrôlées, et acquises à des fréquences journalières ou infra-journalières. Ce travail reposera sur l’extraction et l’exploitation de données préexistantes de deux types. (i) Elles proviendront de précédents projets de recherche impliquant l’UMR FARE, et ont reposé sur la mesure couplée des flux de CO₂ et de N₂O (projets ResidueGas et SAGES notamment, Lashermes et al., 2022, Künnemann et al., 2025). (ii) Un travail d’analyse de la bibliographie permettra également d’identifier les publications présentant ces flux à différentes résolutions temporelles.

Après extraction et mise en forme des données d’intérêts (CO₂, N₂O, COD, NH₄⁺, NO₃^-, métagénomique, isotopes stables des formes de l’azote quand disponibles), des méthodes d’analyse des couplages temporels seront à identifier et à tester. Au-delà de l’étude des informations fournies par l’étude de ces couplages temporels, ce travail explorera la pertinence de la résolution temporelle à exploiter, soit directement à partir des données étudiées, soit par dégradation de jeux de données hautement résolus.

La démarche de ce travail cherche à capitaliser sur l’analyse des dynamiques des flux de CO₂ pour mieux comprendre celles des flux de N₂O. Elle se fonde sur les résultats prometteurs obtenus lors de son application in silico (Chaves et al., 2024). Elle doit finalement contribuer à l’amélioration des formalismes de modélisation des flux de N₂O, proposés à partir des observations expérimentales et indispensables au changement d’échelle. Ces formalismes peinent encore à être génériques ; échouant à modéliser la diversité des situations, potentiellement responsables d’importantes émissions de N₂O.

Pour atteindre ces différents objectifs, le ou la stagiaire sera encadré par Guillaume Humbert (chargé de recherche à l’UMR FARE) et bénéficiera d’interactions avec des modélisateurs des cycles du carbone et de l’azote et des processus microbiens associés : Hugues Clivot (ingénieur de recherche à l’UMR FARE), Gwenaëlle Lashermes (directrice de recherche à l’UMR FARE) et Joël Léonard (chargé de recherche à l’UMRt BioEcoAgro).

Références

Chaves, B., Léonard, J., Ferchaud, F., Schmatz, R., Recous, S., & Giacomini, S. J. (2024). Modelling decomposition of crop residue mulches and the associated N2O emissions in a no-till system in southern Brazil. Soil and Tillage Research, 240, 106065. https://doi.org/10.1016/j.still.2024.106065

Chen, H., Li, X., Hu, F., & Shi, W. (2013). Soil nitrous oxide emissions following crop residue addition: a meta-analysis. Global Change Biology, 19(10), 2956–2964. https://doi.org/10.1111/GCB.12274

Guenet, B., Gabrielle, B., Chenu, C., Arrouays, D., Balesdent, J. M., Bernoux, M., Bruni, E., Caliman, J. P., Cardinael, R., Chen, S. C., Ciais, P., Desbois, D., Fouche, J., Frank, S., Henault, C., Lugato, E., Naipal, V., Nesme, T., Obersteiner, M., … Zhou, F. (2021). Can N2O emissions offset the benefits from soil organic carbon storage? GLOBAL CHANGE BIOLOGY, 27(2), 237–256. https://doi.org/10.1111/gcb.15342

Keuschnig, C. (2018). Implication des champignons et des bactéries dans le cycle de l’azote et la production de N2O dans le sol. https://theses.hal.science/tel-01674238v1

Künnemann, T., Humbert, G., Clivot, H., Alavoine, G., Cannavo, P., Guenon, R., Lashermes, G. Litter C:N Ratio and Soil Water Retention Drive Early CO₂ and N₂O Emissions from Recycled Litter on Urban Lawns. VII EuroSoil, Sep 2025, Seville, Spain. ⟨hal-05304452⟩

Lashermes, G., Recous, S., Alavoine, G., Janz, B., Butterbach-Bahl, K., Ernfors, M., & Laville, P. (2022). N2O emissions from decomposing crop residues are strongly linked to their initial soluble fraction and early C mineralization. Science of The Total Environment, 806, 150883. https://doi.org/10.1016/J.SCITOTENV.2021.150883

Lugato, E., Leip, A., & Jones, A. (2018). Mitigation potential of soil carbon management overestimated by neglecting N2O emissions. Nature Climate Change, 8(3), 219–223. https://doi.org/10.1038/s41558-018-0087-z

Olesen, J. E., Rees, R. M., Recous, S., Bleken, M. A., Abalos, D., Ahuja, I., Butterbach‐Bahl, K., Carozzi, M., De Notaris, C., Ernfors, M., Haas, E., Hansen, S., Janz, B., Lashermes, G., Massad, R. S., Petersen, S. O., Rittl, T. F., Scheer, C., Smith, K. E., … Topp, C. F. E. (2023). Challenges of accounting nitrous oxide emissions from agricultural crop residues. Global Change Biology, 29(24), 6846–6855. https://doi.org/10.1111/gcb.16962

Ranaivoson, L., Naudin, K., Ripoche, A., Affholder, F., Rabeharisoa, L., & Corbeels, M. (2017). Agro-ecological functions of crop residues under conservation agriculture. A review. Agronomy for Sustainable Development, 37(4), 26. https://doi.org/10.1007/s13593-017-0432-z

Profil attendu

• étudiante en master 2 ou élève ingénieur·e en agronomie, science du sol, sciences de l’environnement, biogéochimie de l’environnement, analyse de données environnementales
• avoir un intérêt pour le fonctionnement des sols et des communautés microbiennes associées
• avoir un intérêt pour l’analyse de données et la démarche scientifique

Compétences attendues

• connaissances en science du sol et cycles du carbone et de l’azote dans les écosystèmes terrestres
• savoir faire des recherches bibliographiques et rédiger une synthèse
• rigueur dans la collecte, la mise en forme et l’analyse des données
• savoir se questionner pour analyser et discuter des résultats, et proposer des perspectives de recherche
• savoir travailler en autonomie (au bureau) et savoir travailler en équipe (partage d’idées, présentation des résultats, discussion des problèmes, recherche de solutions)
• bonne maîtrise de l’anglais (notamment lu)