Le Courrier de l'environnement n°35, novembre 1998
La composition de l'atmosphère terrestre évolue
de façon incontestable et accélérée depuis deux
siècles
Les sols sont impliqués dans la régulation
de la composition de l'atmosphère
Quel est l'impact prévisible de l'évolution
de la composition atmosphérique sur le climat
Le changement climatique modifie le fonctionnement des
sols et de la végétation
Peut-on jouer sur le fonctionnement des sols dans une
stratégie de maîtrise du climat ?
L'état des connaissances sur le rôle
régulateur du sol dans l'évolution du climat permet de tirer
plusieurs conclusions :
Du 20 au 26 août 1998 s'est tenu à Montpellier le Congrès
mondial de science du sol ; 2 700 scientifiques du monde entier ont fait
le point sur l'état des connaissances concernant le fonctionnement
des sols, leurs rôles dans la biosphère, leur évolution
en lien avec les pratiques agricoles, l'évaluation des conséquences
de ces évolutions sur l'agriculture et le milieu vivant. Un des 45
symposiums, intitulé Sols et changement climatique, a porté
sur les travaux en cours concernant le rôle des sols dans l'évolution
prévisible du climat, d'une part, et les éventuelles modifications
du climat sur le fonctionnement des sols, d'autre part. Dans le cadre des
réflexions sur la préservation des sols et sur l'évolution
de l'agriculture, il apparaît important d'intégrer différents
éléments concernant l'évolution climatique :
- ce qui apparaît établi de façon fiable au niveau de
la composition de l'atmosphère ;
- ce qui apparaît plus spéculatif et qui peut donner lieu à
différents scénarios quant à l'évolution du climat
et à ses retombées sur l'agriculture ;
- ce qui concerne le rôle que peuvent jouer les modes de gestion des
sols et l'agriculture dans la régulation de la composition de
l'atmosphère.
[R] La composition de l'atmosphère terrestre évolue de façon incontestable et accélérée depuis deux siècles
Parmi les éléments régulateurs du climat à la
surface de la terre, la composition de l'atmosphère joue un rôle
particulièrement important dans les échanges de chaleur et
d'énergie. Deux phénomènes climatiques ont
particulièrement retenu l'attention ces dernières années
: l'altération de la couche d'ozone stratosphérique qui conduit
à une diminution de son effet protecteur contre le rayonnement
ultraviolet, et l'accentuation de l'effet de serre qui entraîne un
réchauffement de l'atmosphère terrestre : ces deux
phénomènes peuvent être considérés comme
globalement indépendants, même si certains composés gazeux
tels que les hydrocarbures halogénés ou le protoxyde d'azote
sont impliqués dans les deux cas. Sans considérer pour partie
négligeable l'altération de la couche d'ozone, qui fait l'objet
d'un suivi très régulier et dont la progression des effets
est évaluée dans les terres émergées proches
des deux pôles, nous avons centré notre attention sur l'effet
de serre dont dépend la température à la surface du
globe.
L'effet de serre résulte du réchauffement des couches de
l'atmosphère par le rayonnement infrarouge émis par le sol
à partir de l'absorption du rayonnement solaire incident. Déjà
à la fin du siècle dernier, Arrhénius avait calculé
que, sans ce réchauffement des couches de l'atmosphère, la
température moyenne à la surface du globe serait de -18°C,
c'est-à-dire impropre au milieu vivant que nous connaissons, alors
que grâce à cet effet de serre elle était en moyenne
de +15°C ; c'est l'accroissement de ce réchauffement qui aujourd'hui
pose problème. L'intensité de ce réchauffement dépend
de la quantité de vapeur d'eau (quasi constante) et de la concentration
en différents gaz-traces dont la concentration peut être variable
et dépend essentiellement de l'activité humaine (tab. I) :
le gaz carbonique (CO2), le
méthane (CH4), le protoxyde
d'azote (N2O), les fréons
(CFC) et autres produits gazeux carbonés halogénés.
Tableau I. Principaux gaz à effet de serre affectés
par l'activité humaine
(IPCC, 1995) ; ppmv, ppbv et pptv : respectivement partie par million (ml/l),
par milliard (billion) (nl/l), par trillion ou million de millions (pl/l),
en volume ; la contribution au forçage radiatif, est exprimée
en W/m2 et en % de l'effet de l'ensemble des gaz mentionnés.
| CO2 |
CH4 |
N2O |
CFC-12 |
HCFC-22 substitut des CFC |
CF4 (perfluoro carbone) |
|
| Concentration pré-industrielle Concentration en 1992 Augmentation annuelle au cours des années 80-90 Durée de vie (années) |
280 ppmv 355 ppmv 1,5 ppmv /an 0,4%/an 50-200 |
700 ppbv 1714 ppbv 13 ppbv /an 0,8%/an 12-17 |
275 ppbv 311 ppbv 0,75 ppbv /an 0,25%/an 120 |
0 503 pptv 18-20 pptv /an 4%/an 102 |
0 105 pptv 7-8 pptv /an 7%/an 13,3 |
0 70 pptv 1,1-1,3 pptv /an 2%/an 50000 |
| Contribution estimée au forçage radiatif |
1,56 W m-2 63,7% |
63,7 % 0,47 m-2 19,2% |
19,2 % 0,14 W m-2 5,7% |
5,7 % 0,14 W m-2 5,7 % |
= 0,08 W m-2 3,2% |
Les émissions de fréons et autres composés carbonés
halogénés sont d'origine industrielle ; l'usage de ces
composés a été fortement réduit après
les accords de Montréal (1992), même si des progrès restent
encore à accomplir, comme la suppression du bromure de méthyle
utilisé en désinfection des sols.
Le gaz carbonique est de loin le principal gaz à effet de serre (GES)
; sa contribution évaluée par l'indice de forçage
radiatif (1) est proche des deux tiers
de celle de l'ensemble des gaz émis (hors vapeur d'eau). Son augmentation
au cours des 2 derniers siècles a été de 27% et s'est
accélérée au cours du dernier demi siècle (fig.
1, ci-après). Pour stabiliser sa concentration au niveau actuel, on
estime qu'il faudrait réduire ses émissions de deux tiers !
Le méthane a une concentration beaucoup plus faible que le gaz carbonique
mais a une capacité d'absorption du rayonnement infrarouge environ
30 fois supérieure pour un même volume ; au cours des 2 derniers
siècles, sa concentration dans l'atmosphère a plus que
doublé. La concentration en
N2O n'a augmenté que de 13%,
mais cette augmentation n'est tangible que depuis un demi siècle et
l'effet de serre de ce gaz est de 200 fois celui du gaz carbonique à
volume égal.
[R] Les sols sont impliqués dans la régulation de la composition de l'atmosphère
L'une des préoccupations des scientifiques est d'évaluer la contribution des sols à ces émissions gazeuses et d'en comprendre la régulation de façon à définir s'il est possi-ble de les modifier. L'une des sources impor-tantes de CO2 est la diminution du stock de carbone organique des sols consécu-tive à la mise en culture et aux prati-ques intensives de travail du sol (prairie amé-ricaine de-puis un siècle et demi, trans-formation de prairies en sols cultivés chez nous, et plus récemment dé-forestation et mise en culture de sols tropi-caux et équatoriaux). Les estimations actuelles éva-luent à 7,1 Gt (gigatonnes, ou milliards de tonnes) les émis-sions annuelles de car-bone sous forme de CO2, dont 1,6 Gt (22,5%) sont dues à la déforestation et au change-ment d'usage des sols en zones tropicales, le reste étant attribué à la combus-tion des carburants fossiles.
Figure 1. Concentrations atmosphériques en gaz carbonique
au cours du dernier millénaire
mesurées à partir des prélèvements de
la calotte glaciaire (D47, D57, Siple et Pôle sud) et depuis 1958 à
partir du site de mesure Mauna Loa à Hawaii (IPCC, 1995).
En abcisses : années ; en ordonnées (échelles de gauche)
: concentration en CO2 (ppmv).
Figure 2. Évolution du carbone organique du sol
dans un essai de longue durée sur un site représentatif
du Midwest des États-Unis (Buyanovsky et Wagner, 1998).En abscisse
: années ; en ordonnées : carbone organique du sol en
kg/m2.
De ces estimations globales, il ressort qu'actuellement les sols des zones
tempérées ont plutôt ten-dance à restocker du
carbone organique ; ce restockage est évalué à 0,5 Gt/an,
attribué prin-ci-palement au repeuple-ment et dévelop-pement
forestier dans l'Hémisphère nord (IPCC, 1995). Dans la
pers-pec-tive d'un affinement de ces bilans carbonés, les questions
actuelles portent sur l'évolution prévisible du niveau de
matières organi-ques dans les sols agricoles ; contrairement à
l'idée que les pratiques agricoles intensives conduisent inexorablement
à une diminution du stock organique du sol, des travaux sur des essais
de longue durée nord américains (Buyanovsky et Wagner, 1998)
montrent que l'augmentation de production de biomasse végétale
au cours des dernières décennies, consécutive notamment
au développement de la fertilisation et aux améliorations
variétales, a conduit à un restockage de matière organique
(fig. 2, ci-dessus), dont l'importance varie de 500 kg/ha/an de carbone sous
monoculture de blé à 1 500 kg/ha/an sous une rotation culturale
de céréales et de légumineuses ; l'extrapo-lation de
ces résul-tats sur de larges échelles apparaît cependant
imprudente en absence de confirmation sur un plus grand nombre de situations.
Parallèlement d'autres travaux confortent l'idée que l'on peut
favoriser le restockage du carbone organique dans le sol par des techniques
simplifiées de travail du sol, la remise en prairie ou la
régénération de forêts.
Les évaluations actuelles sur les émissions de
N2O indiquent que les sols,
tempérés et tropicaux, cultivés ou non, sont responsables
de près de 70% des émissions de ce gaz. Les mesures confirment
que l'on peut observer des émissions aussi bien en sols peu humides,
dues à la nitrification, qu'en sol plus fortement humide et
attribuées alors à la dénitrification. Ces émissions
sont faibles, parfois indétectables, dans les sols où le niveau
d'azote minéral est faible ; les résultats présentés
confirment que les émissions sont fortement dépendantes des
apports de fertilisants azotés et doivent être mesurées
sur toute l'année pour être correctement appréciées
(Mosier, 1998 ; Hénault et al., 1998) : plusieurs auteurs ont
mesuré des émissions significatives en période hivernale,
notamment lors de période de dégel des sols. Les ordres de
grandeur des émissions montrent quelques écarts par rapport
aux valeurs calculées selon l'équation proposée par
Bouwman (1996), à savoir 1 kg/ha d'azote + (1,25 ± 1)% de l'azote
apporté, mais ne permettent pas de remettre en cause cette approximation
qui fait actuellement référence. Les résultats actuels
font surtout ressortir la faible prise en compte de la diversité des
situations d'émission. La présentation de Mosier a permis par
ailleurs de souligner l'importance des émissions de NO par les sols
de la Prairie américaine, et l'intérêt de les suivre
dans d'autres situations ; en effet, ce gaz n'est pas un GES mais un polluant
atmosphérique puissant impliqué dans la production d'ozone
atmosphérique.
La production de méthane par le sol et l'agriculture correspond à
55% des émissions avec une place particulière pour les zones
humides ou marécageuses (21 %), les rizières (11%) et la production
par le cheptel (effluents inclus : 21%) : les données
présentées font ressortir que les émissions en zones
marécageuses peuvent être aussi importantes sous climat
tempéré ou semi continental que sous des climats plus chauds.
Les sols cultivés exondés ne sont pas des sources de méthane
importantes mais interviennent au contraire comme moyen d'élimination
par leur capacité d'oxydation microbienne de ce gaz ; cette
capacité, qui existe aussi dans les sols de rizières en phase
aérée, peut être altérée par les pratiques
agricoles et notamment la fertilisation azotée (Boeckx et al.,
1998 ; Huetsch, 1998).
[R] Quel est l'impact prévisible de l'évolution de la composition atmosphérique sur le climat ?
Cette question est l'objet de nombreuses spéculations et donne lieu à divers scénarios. Parmi les difficultés actuelles, mentionnons la prise en compte de phénomènes précédemment négligés tels que la formation des aérosols, conséquences d'éruptions volcaniques, de l'érosion éolienne ou d'autres émissions de particules, qui peuvent disperser les rayonnements et réduire l'absorption énergétique des gaz à effet de serre. Cependant de nombreuses simulations sont faites sur la base d'une augmentation moyenne de température de l'ordre de 2°C au cours du siècle prochain, tandis que les changements en matière de pluviométrie apparaissent encore plus aléatoires et conduisent les chercheurs à envisager des situations diversifiées pour évaluer les effets sur la végétation.
[R] Le changement climatique modifie le fonctionnement des sols et de la végétation
Une préoccupation qui se renforce est l'évaluation des
éventuelles modifications du climat sur le fonctionnement des sols
et du couvert végétal, et plus particulièrement sur
les transformations microbiennes impliquées dans la dynamique de ces
gaz. Kätterrer et al. (1998) rappellent que l'effet d'une
augmentation de température sur la minéralisation de la
matière organique peut être correctement apprécié
par l'application de la loi de Vant'Hoff (doublement des vitesses pour une
augmentation de 10°C) pour des températures supérieures
à 5°C ; en dessous de ce seuil la variation de température
a un effet plus fortement marqué que ce que laisse prévoir
cette loi.
Des travaux expérimentaux menés in situ par une équipe
allemande (Kamp et al., 1998) ont tenté d'évaluer l'effet
d'une augmentation artificielle de température de quelques degrés
sur les émissions de
N2O et ont montré que les
cinétiques d'émission pouvaient être fortement
affectées, notamment en hiver, sans que les flux globaux soient
sensiblement modifiés sur une année.
Plus difficile à évaluer est l'impact de l'augmentation de
teneur en CO2 sur la production végétale.
Des travaux en serre montrent que cette augmentation favorise la
photosynthèse et la production de biomasse végétale,
avec un accroissement de son rapport carbone/azote (Batjes, 1998) ; cet effet
de fertilisation carbonique sur la photosynthèse apparaît
essentiellement chez les plantes " en C3 " tandis que celles " en C4 "
(maïs, sorgho, etc.2) y sont beaucoup moins sensibles. En absence d'autres
facteurs limitants, l'augmentation de 27% de la teneur atmosphérique
en CO2 devrait exercer un effet favorable sur la production du couvert
végétal avec un probable accroissement du stockage de carbone
par le sol ; cet impact, qui n'a pu être réellement
évalué dans la nature, est régulièrement avancé
pour tenter d'expliquer une plus faible augmentation atmosphérique
en CO2 que ce que laisse prévoir
le bilan des émissions. Par ailleurs, l'effet de l'augmentation de
cette production de biomasse végétale sur les besoins en eau
reste à définir.
[R] Peut-on jouer sur le fonctionnement des sols dans une stratégie de maîtrise du climat ?
La prise de conscience de l'importance des modifications de la composition
de l'atmosphère et de ses répercussions éventuelles
conduit à rechercher des moyens pour atténuer cette augmentation
des GES. Les trois principaux gaz sont pour partie issus du sol ; la recherche
est active, soit pour tenter de réduire leurs émissions, soit
pour accentuer les capacités du sol à les recapter.
Différents travaux sont développés pour estimer les
possibilités de restockage de carbone par le sol. Au plan européen,
nos collègues anglais de Rothamsted (Falloon et al., 1998)
animent un réseau qui s'est fixé pour objectif d'évaluer
ces capacités à l'échelle régionale, couplant
pour cela leur modèle d'évolution de la matière organique
et des bases de données géographiques. Dans une étude
récente (Bruce et al., 1998), une telle estimation a
été réalisée pour l'ensemble des sols nord
américains en partant de l'idée que par des méthodes
culturales adaptées il devrait être possible d'augmenter les
stocks de matière organique de ces sols de la moitié des pertes
consécutives à leur mise en culture. Cependant cette immobilisation
du carbone, qui demandera d'importantes modifications des pratiques agricoles,
ne correspondra sur deux décennies qu'à moins de 4% du carbone
total libéré dans l'atmosphère à partir du même
territoire, soulignant que ce restockage ne peut être qu'un appoint
parmi les mesures de réduction des émissions de
CO2, même si cet appoint n'est
pas négligeable.
En ce qui concerne les émissions de
N2O, il est établi qu'elles
sont étroitement dépendantes de l'intensité de la
fertilisation azotée et que quelques caractéristiques du sol
liées à l'état d'humidité et au fonctionnement
de la microflore sont des paramètres déterminants (Germon et
al., 1998). Dans l'immédiat, il apparaît nécessaire
de définir une meilleure typologie des zones et des conditions
d'émission de façon à déterminer des stratégies
de réduction intégrant ces éléments. Il
apparaît notamment souhaitable de définir plus
précisément si ces émissions sont rigoureusement
proportionnelles aux flux d'azote minéral dans le sol, ou seulement
aux quantités en excès par rapport au besoin des
végétaux, les perspectives de gestion de ces émissions
étant beaucoup plus aisées dans le second cas.
Les émissions de méthane sont une caractéristique des
sols engorgés, et plus particulièrement des sols de rizière
; dans ces derniers sols, il a été démontré que
l'on pouvait réduire ces émissions de 50%, voire davantage,
par une gestion modifiée de la submersion de la culture, avec une
mise à sec du sol pendant les premiers stades de développement
du riz sans pénaliser le rendement ; on s'oriente aussi vers l'utilisation
de cultivars permettant une plus grande diffusion des gaz à travers
les tiges, ce qui permet une inhibition de la microflore méthanigène
par l'oxygène au voisinage des racines. Les spécialistes de
la riziculture pensent avoir ainsi une panoplie de moyens susceptibles de
compenser l'extension et l'intensification indispensables de la riziculture
dans les zones tropicales. Ces mesures ne concernent en rien les zones naturelles
marécageuses ou humides.
[R] L'état des connaissances sur le rôle régulateur du sol dans l'évolution du climat permet de tirer plusieurs conclusions :
- la composition de l'atmosphère a fortement évolué
au cours des deux derniers siècles et continue à évoluer
de façon importante ; cela aura un impact sur l'échauffement
de la terre qui paraît inéluctable et sur l'importance duquel
on s'interroge en terme de scénarios possibles ;
- le sol, l'agriculture et plus globalement la biosphère jouent un
rôle régulateur important dans l'évolution des gaz traces
par leurs fonctions de puits et de sources de plusieurs d'entre eux. Les
estimations de différentes sources demandent encore à être
précisées, compte tenu d'une grande variabilité spatiale
et temporelle du fonctionnement des mécanismes producteurs.
L'évaluation des fonctions puits, c'est-à-dire de la capacité
du sol et, plus globalement, de la biosphère à recapter ces
gaz se heurte à deux difficultés ; d'une part, les émissions
observées sont souvent la résultante de mécanismes de
production et de consommation dont les intensités spécifiques
ne sont pas distinguées. D'autre part, l'intensité des
transformations peut être directement dépendante de la concentration
de ces gaz, avec des effets encore mal définis ; il en est ainsi,
notamment, de l'effet de la concentration en CO2
sur l'intensité de la photosynthèse et
de la production de biomasse végétale ;
- dans la perspective d'une maîtrise nécessaire des émissions
de gaz-traces, il semble possible de modifier le rôle régulateur
du sol et de l'agriculture dans ces émissions par des modifications
de pratiques culturales. Cependant les effets bénéfiques de
telles modifications sont loin d'être complètement
évalués. Au vu des données actuelles et de ce que l'on
sait sur le fonctionnement du sol, il est clair que l'obtention de
résultats significatifs nécessitera des modifications à
grande échelle. Il est tout aussi clair que les effets attendus ne
devraient représenter qu'une faible part de l'effort à
réaliser pour stabiliser efficacement ces émissions et que
la recherche d'autres moyens est indispensable.
[R] Cet article paraît par ailleurs dans OCL. 5(5), par accord des deux revues.
Note
(1) Forçage radiatif: augmentation de la
température de l'atmosphère liée à l'augmentation
de la teneur en "gaz à effet de serre". Ceux-ci laissent passer les
rayonnements de courte longueur d'onde (solaire) mais absorbent une partie
des rayonnements de grande longueur d'onde (infrarouge) émis par la
surface de la terre, les empêchant ainsi de s'échapper vers
l'espace. C'est cette énergie absorbée qui se transforme en
chaleur et provoque le réchauffement de
l'atmosphère. [VU]
Batjes N.H., 1998. Mitigation of atmospheric CO2 concentrations by
increased carbon sequestration in the soil. Biol. Fertil. Soils, Special
issue, Soils and Climate Change, 27, 230-235.
Boeckx P., Van Cleemput O., Meyer T., 1998. The influence of land use and
pesticides on methane oxidation in some Belgian soils. Biol. Fertil.
Soils, Special issue, Soils and Climate Change, 27, 293-298.
Bouwman E.G., 1996. Direct emission of nitrous oxide from agricultural soils.
Nutrient Cycling in Agroecosystems, 46, 53-70.
Bruce J.P., Frome M., Haites E., Janzen H., Lal R., Paustian K., 1998. Carbon
sequestration in soils. Soil & Water Conservation Society's. Carbon
sequestration in soils workshop, Calgary, Alberta, Canada, 33 p.
Buyanovsky G., Wagner G.H., 1998. Changing role of cultivated land in the
global carbon cycle. Biol. Fertil. Soils, Special issue, Soils and
Climate Change, 27, 242-245.
Falloon P.D., Smith P., Smith J.U., Szabo J., Coleman K., Marshall S., 1998.
Regional estimates of carbon sequestration potential : linking the Rothamsted
Carbon Model to GIS databases. Biol. Fertil. Soils. Special issue,
Soils and Climate Change, 27, 236-241.
Germon J.C., Hénault C., Page S., Lucas J.L., Reau R., 1998. Les
émissions de protoxyde d'azote (N2O) sous culture de colza.
OCL, 5, 5-11.
Hénault C., Devis X., Lucas J.L., Germon J.C., 1998. Influence of
different agricultural practices (Type of crop - form of N-fertilizer) on
soil nitrous oxide emissions. Biol. Fertil. Soil. Special issue, Soils
and Climate Change, 27, 299-306.
Huetsch B. W., 1998. Tillage and land use effects on methane oxidation rates
and their vertical profiles in soil. Biol. Fertil. Soils, Special
issue, Soils and Climate Change, 27, 284-292.
IPCC, 1995. Climate Change 1994. Report of working groups I and III of the
Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, UK,
339 p.
Kamp T., Steindl H., Hantschel R. E., Beese F., Munch J.C., 1998. Nitrous
oxide emissions from a fallow and wheat field as affected by increased soil
temperatures. Biol. Fertil. Soils. Special issue, Soils and Climate
Change, 27, 307-314.
Kätterer T., Reichstein M., Andren O. Lomander A., 1998. Temperature
dependence of organic matter decomposition : a critical review using literature
data analysed with different models. Biol. Fertil. Soils. Special
issue, Soils and Climate Change, 27, 258-262.
Mosier A.R., 1998. Soil Processes and Global Change. Biol. Fertil. Soil.
Special issue, Soils and Climate Change, 27, 221-229.
[R]
