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Accumulation des stocks de carbone dans les sols sous des cultures bioénergétiques de Populus spp., Salix spp. et Panicum Virgatum

Martine Routhier, Benoit Lafleur et Nicolas Bélanger

Résumés

À l’échelle mondiale, les sols contiennent environ 2000 Gt de carbone (C). Au cours des derniers siècles, l’aménagement des sols a toutefois contribué à la libération vers l’atmosphère de près de 140 Gt de C. L’établissement de certaines cultures sur des terres marginales pourrait néanmoins réduire le C atmosphérique en l’accumulant dans le sol. Cette étude a pour objectif d’identifier les effets de la texture du sol, de l’affectation historique du territoire et du temps écoulé depuis la mise en culture sur l’accumulation du C organique dans le sol (COS) sous deux espèces ligneuses (Populus spp. et Salix spp.) et une espèce herbacée (P. virgatum). Dans l’ensemble, sur d’assez courtes périodes (moins de 20 ans), nos résultats indiquent que le COS de la majorité des sites sous ces cultures est de 5 à 20 % plus élevé que l’affectation préalable. Sous les cultures d’espèces ligneuses et sous P. virgatum, les sites dont la teneur en argile est >20 % avaient des stocks de COS 10 à 20 % plus élevés que les sites témoins, alors que cette différence s’élevait à environ 5 % pour les cultures dont la teneur des sols en argile est <20 %. Par ailleurs, l’établissement de cultures d’espèces ligneuses sur des terres cultivées et sur des prairies et pâturages a entrainé une augmentation de COS de l’ordre de 4 % et 19 %, respectivement. En ce qui a trait à P. virgatum, son établissement sur des terres cultivées a entrainé une augmentation de COS de 12 %, alors que la conversion à partir de prairies et pâturages a entraîné une augmentation de 5 % seulement. Enfin, l’âge des cultures d’espèces ligneuses a eu peu d’effets sur les stocks de COS, mais les cultures de P. virgatum de <5 ans et >5 ans avaient respectivement des stocks de COS 5 % et 11 % supérieurs aux témoins. Les résultats suggèrent que l’accumulation du C dépend de plusieurs facteurs, dont : (1) les argiles qui favorisent la formation de composés organo-minéraux chimiquement stables qui protègent physiquement le carbone de l’activité bactérienne, (2) le labour du sol sous un régime intensif de cultures annuelles qui peut avoir fait perdre du COS sur plusieurs années, offrant donc un plus grand potentiel d’accumulation par la nouvelle culture, (3) le profil racinaire qui, selon l’espèce, enrichit le sol en C à différentes profondeurs, et (4) la quantité de biomasses produite et la vitesse de ces gains, lesquelles dictent l’importance des flux de C au sol, à court et moyen termes.

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Texte intégral

Introduction

1À l’échelle mondiale, la quantité de carbone contenue dans les sols est estimée entre 1500 et 2250 Gt tonne (Eswaran et al., 1993 ; Batjes, 1996), constituant ainsi la plus grande réserve de carbone de la planète. La séquestration du carbone (C) étant devenue un enjeu important dans la lutte aux changements climatiques (GIEC, 2007), l’évaluation des stocks et l’estimation des flux revêtent par conséquent une grande importance dans notre compréhension de la dynamique du C et des changements climatiques.

2La dynamique du carbone organique dans le sol (COS) est modulée par les échanges entre l’atmosphère, la pédosphère et la végétation (Nieder et Benbi, 2008). Les débris végétaux, notamment les feuilles, les tiges, les racines et l’écorce (ci-après, la litière), constituent la principale source de C qui incorpore le sol. La décomposition de la litière mène à la production de deux grands types de résidus, soit les résidus structuraux (c.-à-d. cellulose et hémicellulose) et métaboliques (c.-à-d. protéines, lipides, acides nucléiques). Les résidus structuraux prennent plus de temps à se décomposer que les résidus métaboliques (1 à 5 ans vs. <1 an, respectivement) (Sartori et al., 2006). Lors de la décomposition, ces produits sont incorporés aux stocks de COS, alors que le dioxyde de carbone (CO2) est retourné vers l’atmosphère par l’oxydation de la matière organique durant la respiration microbienne.

3Au cours des derniers siècles, l’utilisation et l’aménagement des sols ont favorisé des pertes importantes de COS. À l’échelle globale, la destruction des milieux humides et la conversion des milieux forestiers en terres agricoles auraient contribué à la libération vers l’atmosphère de 136±55 Gt de COS (Lal, 2004a). Cette situation pourrait être renversée par une utilisation des terres agricoles qui favorise l’accumulation du COS. L’une des stratégies visées en milieu agricole est de minimiser le travail du sol, plus spécifiquement le labour, afin de conserver sa structure. En effet, le travail mécanique du sol contribue à fragmenter les agrégats et à diminuer l’effet structurant des vers de terre, ce qui a pour effet de réduire la stabilité du sol et occasionne ainsi des pertes de COS par érosion (Six et al. 1999). De plus, le labour favorise l’augmentation de la température du sol, ce qui accélère les pertes de COS de par la minéralisation de la matière organique (VandenBygaart et al., 2003 ; Lal, 2004a ; Sartori et al., 2006).

4Par ailleurs, l’établissement de certains types de cultures semble prometteur pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et lutter contre les changements climatiques. En effet, certaines cultures permettraient de réduire le CO2 accumulé dans l’atmosphère parce qu’elles accumuleraient du C dans leur biomasse, accumuleraient du COS et remplaceraient, du moins en partie, les combustibles fossiles (Lal, 2004a ; Cantarello et al., 2011). Toutefois, il est probable que le potentiel d’accumulation du COS varie entre les types d’espèces mises en culture. En effet, les espèces herbacées vivaces accumulent la plus grande part du C dans leur système racinaire, alors que les espèces ligneuses accumulent une grande quantité de C dans leurs parties aériennes (Mokany et al., 2006). Ces différences fonctionnelles des plantes quant à l’allocation du C dans leurs parties aériennes et souterraines ont des impacts notables sur les flux de C via la litière et, de ce fait, sont susceptibles d’avoir des répercussions sur la capacité à accumuler le COS (De Deyn et al., 2008).

5L’accumulation du COS est contrôlée par des facteurs autres que les flux de C, notamment les propriétés physico-chimiques du sol (dont la concentration initiale en en carbone organique (Corg)), la productivité végétale du site, l’âge des cultures, l’affectation historique du territoire (pâturage, forêt, agriculture, prairie) et les conditions pédologiques locales (par exemple : le climat, la texture et la profondeur du dépôt, la topographie, etc.). Selon Sartori et al. (2006), les terres agricoles abandonnées ou marginales seraient particulièrement propices à l’établissement de plantations et de cultures bioénergétiques et à l’accumulation du COS. D’autres suggèrent même de planter des arbres pour contrôler la désertification, accumuler davantage de COS et réduire les concentrations de CO2 atmosphérique (Li et al., 2014)

6Cette revue de la littérature poursuivait deux objectifs, le premier étant d’identifier les effets de l’environnement et des pratiques culturales sur l’accumulation du COS dans des cultures bioénergétiques. Plus spécifiquement, nous nous sommes intéressés aux effets de la texture du sol, du temps écoulé depuis la mise en culture et de l’affectation historique du territoire. Le deuxième objectif était de comparer la performance de deux types fonctionnels de végétaux (c.-à-d. deux espèces ligneuses et une espèce herbacée) fréquemment mis en production à des fins énergétiques. À cet effet, nous nous sommes intéressés au peuplier (Populus spp. ; ligneuse), au saule (Salix spp. ; ligneuse) et au panic érigé (Panicum virgatum ; herbacée). Ces trois espèces sont probablement favorables à l’accumulation du COS parce qu’elles : (i) ont un système racinaire largement développé et profondément distribué qui favorisent l’accumulation de matière organique dans le sol, (ii) produisent beaucoup de biomasses en peu de temps, et (iii) s’adaptent assez bien à des conditions de croissance plus ou moins favorables.

Méthodologie

Revue de la littérature

7Afin de répondre aux objectifs de cette étude, nous avons constitué une base de données à partir de la consultation de plusieurs articles de recherche et de méta-analyses sur les cultures de Populus spp. , Salix spp. et P. virgatum. Les articles et les méta-analyses retenus devaient inclure les informations suivantes : la quantité de COS sous forme de stock (p. ex. Mg ha-1, T ha-1), le nombre d’années écoulé depuis l’établissement de la culture, la texture du sol et l’affectation historique du territoire (c.-à-d. la vocation antérieure du site). Par ailleurs, dans chacun des articles retenus, le stock de COS sous Populus spp. , Salix spp. ou P. virgatum devait être comparé à des sites témoins. Les sites témoins devaient rencontrer l’un des critères suivants : (i) les stocks de COS avaient été mesurés avant l’établissement de la culture bioénergétique, ou (ii) les stocks de COS avaient été mesurés dans un champ limitrophe à la culture bioénergétique dont l’affectation historique du site et les caractéristiques de sol étaient sensiblement les mêmes que ceux de la culture bioénergétique. Dans le cas des témoins à partir de champs limitrophes, il faut accepter la possibilité que les sols et les conditions pédoclimatiques n’étaient pas exactement les mêmes que ceux sous les trois cultures à l’étude. Les études qui comptaient des sites expérimentaux fertilisés ou soumis à des traitements à l’insecticide ont été retenues aux fins de cette présente recherche. Le tableau 1 dresse la liste des références retenues pour l’étude.

Tableau 1. Études retenues par la présente étude.

Référence

Nombre d’observations

Localisation

Espèces

Âge

 % argile

Affectation historique du territoire

Bonin et Lal (2014)

5

USA

Pv, Ss

7

<20 et >20

Pr, Tc

Ceotto et Di Candilo (2011)

2

Italie

Ss

7

<20

Tc

Coleman et al. (2004)

22

USA

Ps

1 à 27

<20 et >20

Pr, Tc

Corre et al. (1999)

7

USA

Pv

10 à 18

<20

Pr

Grigal et Berguson (1998)

5

USA

Ps

6, 7, 15

<20 et >20

Tc

Jug et al. (1999)

10

Allemagne

Ps, Ss

7, 10

<20 et >20

Pr, Tc

Kahle et al. (2013)

2

Allemagne

Ss

17

<20

Tc

Liebig et al. (2005)

19

USA

Pv

10

ND

Pr

Liebig et al. (2008)

7

USA

Pv

5

<20

Pr

Omonode et Vyn (2006)

35

USA

Pv

5, 6, 8

<20 et >20

Tc

Pacaldo et al. (2013)

4

USA

Ss

5, 12, 14, 19

<20

Tc

Potter et al. (1999)

1

USA

Pv

6

>20

Tc

Zan et al. (2001)

4

Canada

Pv, Ss

5

<20

Tc

Espèces : Ps, Populus spp. ; Pv, Panicum virgatum ; Ss, Salix spp. 

Affectation historique du territoire : Pr, prairie+pâturages ; Tc, terres cultivées.

ND : information non disponible dans l’article ; cet article n’a pas été inclus dans l’analyse des effets de la teneur en argile.

Analyse des données

8Pour l’ensemble des références retenues au tableau 1, un total de 123 observations ont été utilisées afin de tester les effets des cultures de Populus spp, Salix spp et P. virgatum sur l’accumulation du COS (tableau 2). Plus spécifiquement, nous avons comparé les quantités de COS (Mg ha-1) dans les champs en culture à celles des témoins (c.-à-d. les quantités avant l’établissement des cultures ou les quantités dans les champs limitrophes aux cultures). Puisque les profondeurs échantillonnées n’étaient pas les mêmes d’une étude à l’autre, nous avons homogénéisé la base de données en calculant la variation en pourcentage des stocks de COS (∆ % COS) entre les cultures et les témoins selon la méthode de Laganière et al. (2010) :

9Où COSculture est le Corg du sol sous la culture bioénergétique et COStémoin est le Corg du sol dans le témoin (c.-à-d. avant l’établissement de la culture bioénergétique ou dans le champ limitrophe à la culture bioénergétique).

Tableau 2. Nombre d’observations par espèce par variable.

Espèce

Texture (% argile)

Âge (ans)

Historique du site

<20 %

>20 %

<5

>5

Terre agricole

Prairie+

pâturage

P. virgatum

40

37

29

14

39

40

Populus spp. + Salix spp. 

18

12

45

35

35

7

10La variation (%) des stocks de COS entre les cultures et les témoins été calculée pour chacun des critères de classification suivants : texture du sol, âge des cultures et affectation historique des sites. En ce qui a trait à la texture, les sols ont été catégorisés selon leur contenu en argile, soit <20% et >20%; le choix de ce seuil repose sur des expériences sur le terrain et en laboratoire qui démontrent que le COS est physiquement mieux protégé de la décomposition microbienne par des composés organo-minéraux chimiquement stables lorsque le contenu en argile est >20 % (Baldock et Skjemstad, 2000 ; Heywood et Turpin, 2013). De même, les sites ont été catégorisés selon leur âge, <5 ans et >5 ans ; le choix de ce seuil s’explique du fait que les sols de cultures ligneuses intensives pourraient constituer des sources de C durant les 4 à 6 premières années suivant l’établissement de la culture, après quoi celles-ci deviendraient graduellement un puits de C (Hansen, 1993 ; Paul et al., 2002). Enfin, les sites ont été classifiés en deux catégories d’affectation historique du territoire avant la mise en place de la culture : (1) les prairies et les pâturages et (2) tous les autres types de cultures intensives caractérisées par des cycles courts de production et de labour (p. ex. maraîchères, céréales, maïs). Cette classification a été choisie afin de différencier les effets de la culture entre des sites ayant subi relativement peu de perturbations anthropiques (prairies et pâturages) dans un passé récent et des sites soumis à un régime de perturbations anthropiques intensif ayant eu des effets négatifs sur les stocks de COS (cultures maraîchères, céréales, maïs…) (Young et al., 2005 ; Wilson et al., 2011 ; Heywood et Turpin, 2013).

Résultats et discussion

Teneur du sol en argile

11Tant sous les cultures d’espèces ligneuses (c.-à-d. Populus spp et Salix spp. ) que sous P. virgatum, la teneur du sol en argile semble avoir un effet sur les stocks de COS. Pour P. virgatum, les sols des plantations et des cultures dont la teneur en argile est <20 % contiennent environ 5 % de plus de Corg que les témoins, alors que cette différence est de 19 % pour les sites dont la teneur en argile est >20 % (figure 1). De façon similaire, pour les espèces ligneuses, les sols des cultures dont la teneur en argile est <20 % contiennent environ 5 % de plus de Corg que les témoins, alors que cette différence est de 10 % pour les sites dont la teneur en argile est >20 % (figure 1). La figure 2 illustre la relation entre les valeurs absolues des stocks de COS des témoins (x) et ceux des cultures (y) selon leurs teneurs en argile. Autant pour P. virgatum que Populus spp. et Salix spp. , on observe une bonne dispersion des points autour de la ligne 1 :1 (traitillé gris) et plusieurs sites dont la teneur en argile est <20 % se situent en dessous sous cette ligne. Toutefois, la majorité des observations dans les sites où la teneur en argile est >20 % se situe au-dessus de la ligne 1 :1, signifiant que les stocks de COS des cultures sont supérieurs à ceux des témoins pour la plupart des sites caractérisés par des sols argileux.

Figure 1. Variation en pourcentage des stocks de Corg du sol (∆ %COS ± erreur standard) entre les cultures bioénergétiques (Populus+Salix et P. virgatum) et les témoins selon la teneur des sols en argile (<20% ou >20%).

Figure 1. Variation en pourcentage des stocks de Corg du sol (∆ %COS ± erreur standard) entre les cultures bioénergétiques (Populus+Salix et P. virgatum) et les témoins selon la teneur des sols en argile (<20% ou >20%).

Figure 2. Relations entre le stock de Corg du sol (COS) des témoins et celui des cultures (P. virgatum (a) et des espèces ligneuses (b)). Pour chacun des sites, la teneur du sol en argile est indiquée (<20 %, cercles fermés ; >20 %, cercles ouverts). Le traitillé gris représente la ligne 1 :1.

Figure 2. Relations entre le stock de Corg du sol (COS) des témoins et celui des cultures (P. virgatum (a) et des espèces ligneuses (b)). Pour chacun des sites, la teneur du sol en argile est indiquée (<20 %, cercles fermés ; >20 %, cercles ouverts). Le traitillé gris représente la ligne 1 :1.

12Nos résultats, tant pour les espèces ligneuses que pour P. virgatum, sont en accord avec d’autres auteurs qui suggèrent qu’une teneur élevée en argile (>20 %) favorise l’accumulation du COS (Baldock et Skjemstad, 2000 ; Sartori et al., 2006 ; Laganière et al., 2010 ; Heywood and Turpin, 2013). Les teneurs en argile plus élevées favorisent la formation de composés organo-minéraux chimiquement stables qui protègent physiquement le C de l’activité bactérienne. À l’inverse, les sols constitués majoritairement de particules grossières et contenant de faibles teneurs en argile sont plus susceptibles à la décomposition rapide de la matière organique, à l’oxydation du C ainsi qu’à l’érosion des sols (Van Veen et Kuikman, 1990). Pour les sites dont la teneur en argile est <20%, l’effet des argiles sur les stocks COS est variable et les stocks sont probablement expliqués par d’autres facteurs comme l’effet du milieu sur la qualité chimique de la litière et les formes de C produites lors de la décomposition (Coûteaux et al., 1995 ; Fortunel et al., 2009). Cette tendance générale entre les sites ayant des teneurs en argile inférieures ou supérieures à 20% ne semble pas différente pour les sols des cultures bioénergétiques de Populus spp. , Salix spp. et P. virgatum.

Affectation historique du territoire

13L’affectation historique du territoire semble également contrôler les stocks de COS sous les cultures bioénergétiques. L’établissement de cultures d’espèces ligneuses sur des terres agricoles a entrainé une augmentation de COS de l’ordre de 4%, alors que la conversion à partir de prairies et de pâturages a entraîné une augmentation de 19 % (figure 3). Nos résultats indiquent aussi que l’affectation historique du territoire influence les stocks de COS sous P. virgatum. Toutefois, contrairement aux cultures d’espèces ligneuses, ce sont les terres préalablement cultivées qui ont accumulé le plus de COS (12 %) par rapport aux témoins. Les prairies et les pâturages ont accumulé seulement 5% de plus de COS que les témoins (figure 3). La figure 4 illustre la relation entre les valeurs absolues des stocks de COS des sites témoins (x) et ceux des cultures (y) en fonction des affectations historiques du territoire. Les observations pour les cultures de P. virgatum sont assez bien réparties autour de la ligne 1 :1 (traitillé gris) pour les sites où les valeurs absolues des stocks de COS sont inférieures à 50 Mg ha-1. Pour les stocks supérieurs à 50 Mg ha-1, toutefois, les points se situent majoritairement au-dessus de la ligne 1 :1, signifiant que les stocks de COS des cultures sont supérieurs à ceux des témoins une fois que ce seuil est dépassé. Pour Populus spp. et Salix spp., toutefois, on observe une plus grande dispersion des points de part et d’autre de la ligne 1 :1 tout au long du gradient de stocks. On note que les quelques points de la base de données récoltés dans les prairies et les pâturages se situent majoritairement au-dessus de cette ligne.

Figure 3. Variation en pourcentage des stocks de Corg du sol (∆ %COS ± erreur standard) entre les cultures bioénergétiques (Populus+Salix et P. virgatum) et les témoins selon l’affectation historique du territoire (terres cultivées vs prairies+pâturages).

Figure 3. Variation en pourcentage des stocks de Corg du sol (∆ %COS ± erreur standard) entre les cultures bioénergétiques (Populus+Salix et P. virgatum) et les témoins selon l’affectation historique du territoire (terres cultivées vs prairies+pâturages).

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Figure 4. Relations entre le stock de Corg du sol des témoins et celui des cultures (P. virgatum (a) et des espèces ligneuses (b)). Pour chacun des sites, l’affectation historique du territoire est indiquée (terres cultivées, cercles fermés ; prairies+pâturages, cercles ouverts). Le traitillé gris représente la ligne 1 :1.

Figure 4. Relations entre le stock de Corg du sol des témoins et celui des cultures (P. virgatum (a) et des espèces ligneuses (b)). Pour chacun des sites, l’affectation historique du territoire est indiquée (terres cultivées, cercles fermés ; prairies+pâturages, cercles ouverts). Le traitillé gris représente la ligne 1 :1.

15Le potentiel d’accumulation de COS est généralement élevé dans les terres cultivées en raison des faibles apports en C liés aux types de culture ainsi que de la perte historique de COS due au travail mécanique des sols, notamment le labour intensif (Lal, 2004 b ; Conant et al., 2007). Pour maximiser le stockage de COS en milieu agricole, on recommande donc généralement de réduire le travail du sol afin de conserver le plus possible sa structure (Aslam et al., 1999). Pour les cultures de P. virgatum, l’augmentation plus élevée des stocks de COS dans les terres cultivées pourrait s’expliquer à première vue par des stocks initiaux de COS plus faibles que dans les prairies et les pâturages (figure 3). Toutefois, on remarque à la figure 4 que les stocks initiaux de COS des prairies et des pâturages n’étaient pas supérieurs à ceux des terres cultivées. Ce sont surtout les sites qui contenaient des stocks initiaux de COS supérieurs à 50 Mg ha-1, principalement des terres cultivées, qui semblent avoir accumulés du Corg sous l’effet de P. virgatum (figure 4). Dans ce cas-ci, il est possible que les sites caractérisés par des sols initialement pauvres en Corg aient supporté de trop faibles croissances de P. virgatum et des flux de litière (aérienne ou souterraine) trop petits pour favoriser un gain en COS. Par exemple, Li et al. (2014) ont démontré que le potentiel d’accumulation en Corg suite au rétablissement de la végétation sur des sols très pauvres (c.-à-d., dunes de sable) est supérieur lorsque les conditions hydroclimatiques et physiques (par ex., susceptibilité des sols à l’érosion) du milieu permettent une plus grande production de biomasse et un apport plus important de Corg au sol via la litière.

16Les prairies et les pâturages sont souvent représentés par un sol en surface (c.-à-d. horizon Ah des 10 à 20 premiers centimètres) caractérisé par de riches teneurs en Corg. L’horizon se forme grâce à l’apport de matière organique principalement par les racines des graminées, lesquelles sont dominantes dans ces écosystèmes étant donné les climats secs qui dominent (Cordova et Lehman, 2005). L’augmentation plus élevée des stocks de COS par les espèces ligneuses sous les prairies et les pâturages peut possiblement s’expliquer du fait que, contrairement aux graminées, les racines de Populus spp. et Salix spp. se développent en profondeur (Jobbágy et Jackson, 2000). Les études démontrent que le système racinaire (notamment les racines fines) des plantations d’arbres établies dans ces types d’environnement se développe surtout sous l’horizon Ah (ou Ap s’il est travaillé mécaniquement). À long terme (>30 ans), en l’absence du système racinaire des graminées, les stocks de Corg dans l’horizon Ah diminuent, alors qu’ils augmentent en profondeur (dans l’horizon B) de par l’apport en C par les racines des arbres (Polglase et al., 2000 ; Pinno et Bélanger, 2008). Dans notre base de données, la plupart des cultures de Populus spp. et Salix spp. établies dans des prairies et des pâturages sont relativement jeunes, c.-à-d. <12 ans (moyenne = 6 ans). Il est donc fort probable que nos résultats s’expliquent par une hausse des stocks de Corg dans l’horizon B sans pour autant avoir subi des pertes importantes à court terme de Corg dans l’horizon Ah. Les racines mortes des graminées ont pu être une source de Corg pouvant être incorporée à l’horizon Ah pour les sites les plus jeunes (<5 ans) ou encore les horizons Ah des prairies et des pâturages ont des formes de Corg assez stables (Tate et al., 2000) qui ont résisté à la décomposition par les microorganismes pendant ces courtes périodes. Au contraire, Balesdent et al. (1998) ont proposé que la protection du COS des terres agricoles diminue beaucoup à cause du labour et conséquemment, les plus petits gains nets de COS suite à l’établissement d’espèces ligneuses sous cette affectation historique du territoire s’expliqueraient surtout par les plus grandes pertes à court terme de Corg dans les horizons de surface que ceux des prairies et des pâturages.

Âge de la culture

17Pour P. virgatum, les stocks de COS pour les cultures de <5 ans étaient de 5 % supérieur aux témoins, alors que cette différence était de 11 % pour les cultures de >5 ans (figure 5). L’âge des cultures de Populus spp. et Salix spp. semble avoir eu peu d’effets sur les stocks de COS ― tant les cultures ligneuses de <5 ans que celles de >5 ans ont accumulé en moyenne 6 % de plus de COS que les témoins (figure 3). La figure 6 illustre la relation entre les valeurs absolues des stocks de COS des témoins (x) et ceux des cultures (y) selon leurs âges. Comme pour les stocks de COS en fonction de l’affectation historique du territoire, les observations pour les cultures de P. virgatum se situent majoritairement au-dessus de la ligne 1 :1 seulement pour les sites ayant des stocks initiaux supérieurs à 50 Mg ha-1. Pour Populus spp. et Salix spp., on observe une dispersion des points de part et d’autre de la ligne 1 :1 tout au long du gradient de stocks de COS.

18À court terme, c.-à-d. à l’intérieur de 5 ans de la mise en terre, nos résultats suggèrent, tant dans les cultures de Populus spp. et de Salix spp. que dans celles de P. virgatum, qu’il y a peu de sites ayant subi des pertes notables de COS. Ceci pourrait s’expliquer en partie par une production de biomasse racinaire et aérienne généralement forte de Populus spp. , Salix spp. et P. virgatum dès les premières années suivant la mise en culture (Pregitzer et Friend, 1996 ; Zhang et al., 2003 ; Labrecque et Teodorescu, 2005 ; Omonode et Vyn, 2006 ; Ens et al., 2009). En très peu de temps, grâce à des gains rapides en biomasse, ces espèces formeraient un réseau racinaire dense fournissant l’eau et les nutriments aux parties aériennes. De plus, le taux de remplacement des racines de ces espèces serait assez élevé (Pregitzer et Friend, 1996 ; Rytter et Rytter, 1998 ; Block et al., 2006 ; Rytter, 2013), ce qui assurerait un flux important de matière organique aux sols et enrichirait ceux-ci en Corg (Rytter et Rytter, 1998).

Figure 5. Variation en pourcentage des stocks de Corg du sol (∆ %COS ± erreur standard) entre les cultures bioénergétiques (Populus+Salix et P. virgatum) et les témoins selon l’âge de la culture (<5 ans ou >5 ans).

Figure 5. Variation en pourcentage des stocks de Corg du sol (∆ %COS ± erreur standard) entre les cultures bioénergétiques (Populus+Salix et P. virgatum) et les témoins selon l’âge de la culture (<5 ans ou >5 ans).

Figure 6. Relations entre le stock de Corg du sol (COS) des témoins et celui des cultures (P. virgatum (a) et des espèces ligneuses (b)). Pour chacun des sites, l’âge des cultures est indiqué (<5 ans, cercles fermés ; >5 ans, cercles ouverts). Le traitillé gris représente la ligne 1 :1.

Figure 6. Relations entre le stock de Corg du sol (COS) des témoins et celui des cultures (P. virgatum (a) et des espèces ligneuses (b)). Pour chacun des sites, l’âge des cultures est indiqué (<5 ans, cercles fermés ; >5 ans, cercles ouverts). Le traitillé gris représente la ligne 1 :1.

19Le temps écoulé depuis l’établissement de la culture joue un rôle dans le stockage du COS seulement pour les cultures de P. virgatum. Selon Sartori et al. (2006), il faut 3 à 35 ans pour qu’un sol ayant connu un changement du type de culture atteigne un nouvel état d’équilibre en regard du COS et ne puisse plus accumuler du Corg. Dans la présente base de données analysée, les cultures de P. virgatum âgées de >5 ans ont majoritairement été établies sur des terres préalablement cultivées. Comme discuté dans la section précédente, les gains de Corg sont plus susceptibles d’être plus importants pour les sites où des cultures maraîchère ou céréalière occupaient l’espace avant l’établissement (Lal et al., 2004 b ; Conant et al., 2007). Toutefois, il est encore à noter que les cultures de P. virgatum établies il y a plus de 5 ans sur des terres cultivées et ayant accumulé du Corg dans leurs sols avaient toutes des stocks initiaux de COS supérieurs à 50 Mg ha-1. Ainsi, le remplacement de cultures agricoles classiques par le P. virgatum aurait un effet plus marqué sur certains sites et dépendrait, entre autres, du taux de COS avant l’implantation de la culture bioénergétique. Enfin, la différence en terme de gain de COS entre les plantations de P. virgatum et celles d’espèces ligneuses âgées de >5 ans pourrait être expliquée par un plus fort taux de croissance à court terme pour P. virgatum. En effet, les espèces ligneuses prennent généralement plus de temps que les espèces herbacées avant de refermer leur canopée et de développer leur appareil photosynthétique. La variabilité de la réponse des sols sous l’effet des cultures d’espèces ligneuses pourrait donc signifier que, sous certaines conditions climatiques ou édaphiques, l’augmentation des stocks de COS pourrait prendre plusieurs années (>10 ans) avant d’être observable (Laganière et al. 2010).

Conclusion

20Cette revue de littérature suggère que les cultures d’espèces ligneuses et herbacées sont aptes à augmenter le Corg dans les sols comparativement aux sites soumis depuis plusieurs années à des cultures annuelles (par ex., cultures maraîchères, maïs…) ou à des pâturages. Selon nos analyses, cette aptitude est toutefois liée à divers facteurs, entre autres, à la teneur des sols en argile, à l’affectation historique du territoire, au temps écoulé depuis l’établissement de la culture et aux stocks de Corg dans les sols avant l’établissement des cultures. De par la base de données et notre analyse, il est difficile de déterminer quels facteurs ont le plus d’influence sur les stocks de Corg des sols et comment ils interagissent entre eux pour les influencer. La base de données ne permet pas non plus d’identifier toutes les conditions de sites (stocks initiaux de COS, climat, topographie, etc.) qui expliquent le phénomène d’accumulation du COS. Il semble aussi que les traits fonctionnels de divers types de végétation interviennent sur le potentiel d’accumulation du COS. P. virgatum permettrait d’accumuler le Corg dans les sols cultivés plus tôt après son établissement parce qu’il produirait beaucoup de biomasses plus rapidement que les espèces ligneuses. Populus spp. et Salix spp. auraient un potentiel d’accumulation supérieur dans les prairies et les pâturages en répartissant le Corg plus également dans le profil de sol via des racines plus profondes que le P. virgatum. Il sera vraisemblablement nécessaire de parfaire la base de données pour élucider toutes ces questions.

21De nombreux projets de recherche sont en cours partout dans le monde afin d’évaluer le potentiel d’accumulation de C souterrain et aérien par les cultures bioénergétiques sur courte rotation. Ils permettront d’identifier les meilleures pratiques culturales (par ex., sélection des sites, des cultivars, du type de travail du sol, etc.) pour maximiser le rendement des cultures et le stockage de Corg dans les sols. Les sites disponibles pour de futures cultures bioénergétiques et capables d’accumuler le Corg dans les sols sont sans aucun doute nombreux. Aux États-Unis seulement, Lemus et Lal (2005) estiment que la superficie des terres marginales disponibles pour la plantation d’espèces dédiées à la production d’énergie s’élève à 58 Mha, ce qui représente un potentiel d’accumulation du C dans les sols de 52 Tg an-1. Les sites ciblés peuvent être de nature différente. Les terres agricoles appauvries avec le temps de par une mauvaise gestion des sols, les terrains sensibles à l’érosion, les sites en voie de désertification et les sites pollués (par ex., mines en déclassement) pourraient être revitalisés par l’entremise des cultures bioénergétiques et ainsi permettre de lutter contre les changements climatiques. Des recherches devront également être menées afin d’évaluer si ces cultures pourront restaurer le Corg des sols aux niveaux initiaux, voire les augmenter, et d’évaluer les effets de rétroaction sur les changements climatiques.

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Table des illustrations

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Titre Figure 1. Variation en pourcentage des stocks de Corg du sol (∆ %COS ± erreur standard) entre les cultures bioénergétiques (Populus+Salix et P. virgatum) et les témoins selon la teneur des sols en argile (<20% ou >20%).
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Titre Figure 2. Relations entre le stock de Corg du sol (COS) des témoins et celui des cultures (P. virgatum (a) et des espèces ligneuses (b)). Pour chacun des sites, la teneur du sol en argile est indiquée (<20 %, cercles fermés ; >20 %, cercles ouverts). Le traitillé gris représente la ligne 1 :1.
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Titre Figure 3. Variation en pourcentage des stocks de Corg du sol (∆ %COS ± erreur standard) entre les cultures bioénergétiques (Populus+Salix et P. virgatum) et les témoins selon l’affectation historique du territoire (terres cultivées vs prairies+pâturages).
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Titre Figure 4. Relations entre le stock de Corg du sol des témoins et celui des cultures (P. virgatum (a) et des espèces ligneuses (b)). Pour chacun des sites, l’affectation historique du territoire est indiquée (terres cultivées, cercles fermés ; prairies+pâturages, cercles ouverts). Le traitillé gris représente la ligne 1 :1.
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Titre Figure 5. Variation en pourcentage des stocks de Corg du sol (∆ %COS ± erreur standard) entre les cultures bioénergétiques (Populus+Salix et P. virgatum) et les témoins selon l’âge de la culture (<5 ans ou >5 ans).
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Titre Figure 6. Relations entre le stock de Corg du sol (COS) des témoins et celui des cultures (P. virgatum (a) et des espèces ligneuses (b)). Pour chacun des sites, l’âge des cultures est indiqué (<5 ans, cercles fermés ; >5 ans, cercles ouverts). Le traitillé gris représente la ligne 1 :1.
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Pour citer cet article

Référence électronique

Martine Routhier, Benoit Lafleur et Nicolas Bélanger, « Accumulation des stocks de carbone dans les sols sous des cultures bioénergétiques de Populus spp., Salix spp. et Panicum Virgatum », VertigO - la revue électronique en sciences de l'environnement [En ligne], Volume 14 Numéro 2 | septembre 2014, mis en ligne le 16 septembre 2014, consulté le 25 août 2019. URL : http://journals.openedition.org/vertigo/15076 ; DOI : 10.4000/vertigo.15076

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Auteurs

Martine Routhier

UER Science et Technologie, Téluq, Université du Québec, 5800 rue Saint-Denis, Bureau 1105, Montréal (Québec), Canada H2S 3L5

Benoit Lafleur

Centre d’étude de la forêt, Université du Québec à Montréal, Département des sciences biologiques, 141 Avenue du Président-Kennedy, Montréal (Québec), Canada H2X 1Y4, Courriel : benoit.Lafleur@uqat.ca

Nicolas Bélanger

UER Science et Technologie, Téluq, Université du Québec, 5800 rue Saint-Denis, Bureau 1105, Montréal (Québec), Canada H2S 3L5

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