Projet de recherche P7/24 (Action de recherche P7)
Les pressions qu’exercent les activités humaines sur le système sol ont maintenant atteint un niveau tel que les processus de formation du sol peuvent être affectés à l’échelle d’une décennie. L’érosion du sol provoque des flux latéraux de carbone (C) qui résultent eux-mêmes en l’enfouissement de C dans les colluvions et le renouvellement du C sur les pentes érodées. On considère que ce processus produit une séquestration faible mais cependant significative de C à l’échelle globale. Suite à la déposition de sol érodé, les interactions entre la matière organique et les couches de surfaces minérales jeunes et très réactives peuvent induire une séquestration du C à cause de la présence de complexes de cations actifs dans le sol minéral. Les flux de silice (Si) dans les rivières sont significativement plus bas dans les bassins versants où prédominent les terres agricoles que dans ceux recouverts par des forêts. Ces exemples démontrent que les processus de formation du sol ne sont désormais plus en équilibre avec leur environnement naturel et qu’il est donc important d’inclure dans les modèles, même à l’échelle décennale, à la fois la dynamique des propriétés de sols mais aussi les flux latéraux de particules pour obtenir une meilleur compréhension du rôle du sol dans les cycles biogéochimiques.
L’objectif de notre consortium est de comprendre et quantifier les feedbacks entre le sol et les sédiments, les nutriments, les flux d’eau et de carbone en réponse aux forçages anthropogéniques sur des périodes de temps allant de la décade au millénaire. Avant de pouvoir réaliser une telle analyse à l’échelle globale, les interactions entre les constituants du sol à différentes échelles spatio-temporelles doivent être identifiées à partir d’études de cas présentant différent types d’interventions humaines. L’approche adoptée par le consortium consistera (i) à utiliser des techniques novatrices d’analyse d’archives sédimentaires, (ii) de mettre en place des chronoséquences liées à un suivi des flux actuels à l’échelle de bassins versants et (iii) construire des modèles qui formalisent ces interactions. L’hypothèse de travail que nous défendrons s’articule comme suit : la pression anthropogénique a atteint un niveau tel que plusieurs propriétés du sol, ainsi que leurs distributions dans le paysage, sont modifiées sur des périodes de temps très courtes (décennies jusqu’aux siècles). Il n’est dès lors plus possible d’ignorer les interactions entre le forçage anthropique et les propriétés de sol dans le cadre d’une gestion durable des écosystèmes et des services que ceux-ci fournissent à l’humanité.
Le projet est construit de telle sorte à obtenir un flux cohérent d’information et d’outils permettant la prédiction et l’analyse intégrée des feedbacks entre le système sol et les flux de sédiments, de C, de nutriments, et d’eau en réponse aux interventions humaines sur des périodes de temps allant de la décennie au millénaire. Nous poursuivrons quatre approches différentes, mais cependant naturellement complémentaires :
1. Un réseau de quatre Observatoire du Sol sera établit, pour lesquels une étude systématique et interdisciplinaire du système sol permettra de quantifier son état actuel et comprendre son évolution passée. Groenland est un site idéal pour investiguer l’impact des changements climatiques sur l’activité microbienne pouvant induire des modifications dans la dynamique du carbone organique du sol (COS) à travers son influence sur les taux de décomposition. La région limoneuse en Belgique présente des taux élevés d’érosion sur un sol épais et sans diminution perceptible de la quantité de matériel disponible. Celle-ci est donc adéquate pour démontrer les effets des flux latéraux de sédiments, C et nutriments sur les cycles biogéochimiques. Les deux autres sites ont été choisis afin de montrer les mêmes effets mais dans des environnements contrastés : à Almeria (Espagne), le taux d’érosion élevé sur sols peu profonds est limité par la quantité de matériel disponible et au Brésil, on peut observer des taux d’érosion élevés combinés à une altération rapide. Des améliorations significatives dans la compréhension de ces processus sont désormais possibles grâce à l’émergence de nouveaux outils d’analyse que nous avons l’intention d’exploiter afin de supporter nos objectifs. La combinaison unique d’expertise disponible dans ce consortium permettra d’étudier le cycle des sédiments, de l’eau, des nutriments, du C et Si dans le paysage de manière intégrée et simultanée, et en fournissant de la sorte une opportunité exceptionnelle pour comprendre leurs interactions à différentes échelles spatiales et temporelles. Nous analyserons les importants mécanismes suivants : cycle du Si, flux d’eau dans le sol, changements dans les temps de résidence du carbone labile et récalcitrant, ainsi que la formation d’un sol minéral jeune caractérisé par une grande réactivité du carbone. Ces processus seront quantifiés à travers des mesures d’isotopes du Si, des extractions chimiques et physiques du C, des mesures physico-chimiques et minéralogiques du sol, et des analyses du δ14C et δ13C dans diverses fractions du COS. Un de nos objectifs majeurs, qui distingue radicalement ce projet d’autres initiatives similaires, est que celui-ci vise à quantifier à la fois les flux présents et passés de sédiments, d’eau, de C, de nutriments et de Si à l’échelle du bassin versant en utilisant les nucléides cosmogéniques, des traceurs géochimiques, des bio-marqueurs, des outils basé sur le radiocarbone et des archives sédimentaires, de telle sorte à mieux appréhender l’impact de ces flux sur l’évolution du sol et le rôle du sol dans les cycles biogéochimiques globaux. Cette approche est décrite et implémentée dans l’ensemble de tâches (work package) 1 : Biogeochemical characterization of soils, work package 3: Current sediment and biogeochemical fluxes, et work package 4: Past sediment and biogeochemical fluxes.
2. Des méthodes expérimentales seront mises en place pour expliquer la réponse de mécanismes clefs du sol aux perturbations dues aux activités humaines. Nous nous intéresserons en particulier à la sensitivité du COS aux changements de température et à la dégradation des sols (érosion et enfouissement) en tant que feedback mutuel entre la formation du sol et la dynamique du C. L’impact de ces perturbations anthropiques est potentiellement important mais reste relativement inconnu. Nous proposons d’améliorer la compréhension de ces processus en appliquant et développant des outils innovants comme les isotopes stables, les marqueurs biologiques, le radiocarbone et des mesures de respiration du sol. Cette approche est développée dans le work package 2 : Sensitivity to disturbances.
3. Les données acquises durant ce projet sont par nature incomplètes pour appréhender complètement l’évolution dynamique du système sol en réponse aux activités humaines. L’information collectée par les études expérimentales et les Observatoires du Sol sera donc assimilée dans un modèle intégré. Des modèles de profil du sol basés sur la physique des processus seront raffinés et validés avec des données expérimentales et les processus pour lesquels il n’existe pas encore de paramétrisation dans ces modèles seront implémentés (p.ex. réponse des communautés microbiennes aux températures et feedbacks érosion-altération du sol). Ces modèles seront ensuite intégrés dans des modèles simplifiés à l’échelle du bassin versant qui seront capables de simuler les fonctions du sol (productivité de l’écosystème, échange de carbone, azote, silice et eau), les flux latéraux et la précipitation/dissolution minérale en réponse aux activités humaines. Cette approche est couverte par les work packages 5: Interactions between element cycles during weathering and pedogenesis, work package 6: hydrology as driver for biogeochemical fluxes, et work package 7: Integrated landscape models.
4. Une plateforme d’évaluation des écosystèmes. En exploitant les données et les modèles des autres work packages, nous avons l’ambition d’intégrer les services biogéochimiques, hydrologiques et de formation du sol étudiés dans le cadre du projet en une plateforme d’évaluation des services écosystémiques qui permettra d’établir la manière dont certains écosystèmes peuvent être affectés par des changements dans les fonctions du sol. L’analyse explicite de la réponse des services écosystémiques sera cependant limitée dans ce projet à un nombre déterminé de services essentiels (work package 8: Integrated assessment of soil ecosystem services)
Les activités de formation menées par notre réseau apporterons un soutien très profitable pour le travail de jeunes chercheurs (work package 9 : Training). Deux écoles d’été seront organisées : la premières sur les récentes techniques d’analyses du sol et de proximal sensing et la seconde sur la modélisation. Des jalons (milestones) et réalisations (deliverables) clairement définis assureront, sous la responsabilité d’un work package leader, une gestion efficace et opportune du projet.
