Effect of tillage systems on soil organic matter stocks and C and N fluxes in cereal cropping systems on a silt loam soil in Northern France
Effet de travail du sol sur les stocks et flux de C et N dans un sol limoneux de grandes cultures du bassin Parisien
Résumé
For many centuries, the conventional mouldboard tillage system was used in agriculture to control the development of weeds, to incorporate crop residues into the soil, to recycle leached nutrients back to the surface and to create an adequate structure before planting. However, after the development of herbicides the need for ploughing was questioned and reduced tillage systems were introduced. These reduced tillage systems have two main characteristics: (i) the soil is not entirely turned over and (ii) the soil is always entirely or partially covered by residues. The shift from mouldboard ploughing to no-tillage so induces changes in the soil structure and in the location of soil organic matter and crop residues. This results in changes in soil climate (soil temperature and soil water content) and in several biological, chemical and physical soil properties. The combination of all these modifications has an important impact on C and N transformations in the soil. The overall objectives of this work were twofold. First, we quantified the changes in C and N pools and in C and N fluxes between different long-term (32 years) tillage systems in cereal cropping systems in northern France, and second, we studied the effects of soil climatic conditions, soil structure and biological and physical properties of the soil on the differences in the C and N cycles between those tillage systems. This work focused mainly on those parameters with important agronomical or environmental impacts: soil organic C and N contents and distribution, soil mineral N dynamics and CO2 and N2O emissions. Two contrasting tillage systems were considered, i.e. conventional mouldboard ploughing to 20 cm depth (CT) and no-tillage (NT). These systems were studied on two different sets of plots with a maize-wheat rotation on the same experimental site at Boigneville in the Parisian Basin in Northern France. After 32 years, NT presented 5-15% larger C stocks and 3-10% larger N stocks compared to CT, but these differences were not always statistically significant. Soil organic C and N concentrations decreased with increasing depth in NT, whereas they were relatively homogeneously distributed through the plough layer in CT. The small stock differences were further explored by examining the changes at different levels of structural complexity. Mineral-associated N and particulate organic matter each accounted for about 50% of the total difference in N stock. However, 66% of the total difference in C stock was due to differences in the particulate organic matter (58%) and free residues (8%) fractions. Additional C and N were detected in NT in the water stable macroaggregates. Our results suggest that the larger C and N stocks in NT are attributed to (i) enhanced macroaggregate formation in the 0-5 cm layer due to higher microbial activity and SOM content and (ii) a better protection of soil organic matter in the 5 20 cm layer due to a larger proportion of small pores and lack of soil disruption by tillage or climate. The tillage systems did not induce large differences in water and nitrate content in the 0 120 cm soil profile. When the LIXIM model was applied to these data the calculated ‘in situ' N mineralisation rates, expressed both in calendar days and in normalised days (for soil temperature and moisture content), were comparable in both tillage systems and clearly demonstrated that the soil N supply in both systems was comparable. NT always tended to emit more N2O than CT. In addition, CT or NT emitted the larger amount of CO2 in the absence of plants depending on the weather conditions (rainfall and temperature) and the amount and location of crop residues. The cumulated CO2 emissions for the specific weather conditions of the measurement year were significantly larger for NT than for CT. In the second part of our work we studied the effects of differences in soil climatic conditions, soil structure, organic matter location and soil biological and physical properties between the tillage systems on the observed differences in the C and N cycles. We first determined whether the differences in C and N stocks and fluxes in CT and NT were due to changes in the potential decomposition rate of the SOM. Our results clearly showed that after 32 years the potential C and N mineralisation of soil organic matter under controlled conditions (temperature and soil water pressure) was not smaller in NT compared to CT. The physical protection of the soil organic matter against mineralisation was evaluated by incubating soil samples after soil structures between 50 µm and 12.5 mm had been progressively destroyed. The samples were taken from four structural zones of the CT and NT plots: loose and dense structural zones in the plough layer of CT and the 0-5 and 5-20 cm soil layers in NT. Our results indicate that the structural zone with the largest C and N stocks and the largest amount of water stable aggregates (0-5 cm soil layer of NT) showed the smallest increase in N mineralisation and no increase in C mineralisation after soil structure disruption. Of the four structural zones, the 5-20 cm soil layer of NT showed the largest effect of physical protection of SOM. Secondly, our measurements indicated that differences in soil temperature and soil water content between CT and NT induced differences in ‘in situ' soil organic matter decomposition. These differences were often small and not systematically more favorable to decomposition over time in a given tillage system. On the other hand, a large influence of the distribution and amount of rainfall and water evaporation on the dynamics of the CO2 fluxes was observed. In NT, rainfall induced considerable residue decomposition and, consequently, bursts of CO2 emissions due to a sudden increase in the water content of the surface residues. However, after a rain event, the water content of the surface residues fell rapidly and, again, seriously limited their decomposition resulting in smaller CO2 emissions compared to CT. Finally, C and N fluxes were simulated using the PASTIS model. Modelling provides a better understanding of the individual effects and interactions of the determining factors on C and N dynamics. The simulations showed that the larger cumulative total CO2 fluxes in NT resulted from a more extensive crop residue decomposition and not from an enhanced SOM decomposition because the large amount of accumulated residues of previous crops in NT more than compensated for the slower residue decomposition rate of surface residues in these long-term differentiated tillage systems. The water content of the surface crop residues was found to be key in determing the magnitude of the difference in decomposition rate between the incorporated residues in CT and the surface residues in NT.
Pendant plusieurs siècles, le sol a été labouré pour contrôler le développement des mauvaises herbes, incorporer des résidus de culture et préparer le sol avant le semis. Après le développement des herbicides la nécessité de labourer a été posée et des systèmes de travail du sol réduit ont été introduits. Ces systèmes de travail du sol réduit ont deux caractéristiques : (i) le sol n'est plus labouré et, (ii) le sol est toujours complètement ou partiellement couvert avec des résidus de culture. Le passage du labour profond au semis-direct (un système de travail du sol réduit) induit des modifications dans la structure du sol et la localisation de la matière organique du sol (MOS) et des résidus de culture. Ceci entraîne des modifications dans le climat du sol (température et humidité) et certaines propriétés biologiques, chimiques et physiques du sol. La combinaison de toutes ces modifications a une influence importante sur les transformations de l'azote et du carbone dans le sol. Les objectifs de notre étude ont été de (i) quantifier les différences des stocks et de flux de carbone et de l'azote entre différents systèmes de travail du sol différenciés depuis 32 années dans un sol limoneux de grande culture du bassin Parisien et, (ii) expliciter les effets du climat du sol, de la structure et des propriétés biologiques et physiques du sol sur les différences de fonctionnement des cycles du carbone et de l'azote du sol. Cette étude a été essentiellement focalisée sur les variables qui ont un impact agronomique ou environnemental : carbone et azote organique du sol, dynamique de l'azote minéral du sol et les émissions de CO2 et N2O. Deux systèmes de travail du sol ont été étudiés : le labour (CT) et le semis-direct (NT). Ces systèmes de travail du sol ont été suivis sur des parcelles en rotation maïs-blé du site expérimental de Boigneville (91) en France. NT présente des stocks de carbone 5 à 15 % plus importants et des stocks d'azote 3 à 10% supérieurs à ceux mesurés pour CT, mais ces différences n'ont pas toujours été statistiquement significatives. Les concentrations de C et N diminuent avec la profondeur en NT alors qu'elles sont distribuées de façon homogène dans la couche labourée en CT. La différence de stock d'azote organique associé aux argiles et limons et la différence de stock d'azote associé à la matière organique particulaire (MOP) ont chacune expliqué 50 % de la différence de stock d'azote total entre les deux systèmes. 66 % de la différence du stock de carbone total du sol ont été explicités par la différence de stock de carbone présent dans la MOP (58 %) et les résidus de culture (8 %). Le carbone et l'azote additionnel dans NT se situe dans des agrégats. Nos résultats suggèrent que les stocks de C et N plus importants pour NT peuvent être attribués à (i) la formation de macroagrégats plus prononcée dans la couche 0-5 cm due à l'activité microbienne et aux stocks de MOS plus importants et, (ii) la meilleure protection de la MOS dans la couche 5-20 cm due à une porosité du sol plus faible et à l'absence de la destruction de la structure du sol par le travail du sol ou le climat. Les modalités de travail du sol n'ont pratiquement pas eu d'influence sur les dynamiques de l'eau et de nitrates dans le profil (0-120 cm) du sol. L'interprétation des données avec le modèle LIXIM a permis de calculer des vitesses de minéralisation comparables pour les 2 systèmes que celles-ci soient calculées avec une échelle de temps exprimée en jours calendaires ou en jours normalisés (à une température et une humidité du sol de référence). Ces résultats montrent que la fourniture d'azote minéral par le sol est similaire dans les différents systèmes de travail du sol étudiés à Boigneville. Par ailleurs, les émissions de N2O ont eu tendance à être plus élevées pour NT que pour CT. Les émissions de CO2 en absence de couvert végétal ont pu être plus importantes pour l'un ou l'autre des systèmes de travail du sol en fonction des conditions climatiques et de la localisation des résidus de culture. Le cumul des quantités de CO2 émis par NT a été significativement plus important que pour CT. Au cours d'une seconde partie du travail, nous avons cherché à montrer si les différences de stocks et de flux de C et N entre les différentes modalités de travail du sol étaient le résultat des modifications des conditions climatiques, de la localisation et des quantités de SOM et résidus de culture ou des propriétés biologiques ou physiques du sol. D'abord, nos résultats ont montré que la minéralisation potentielle du C et N en conditions contrôlées n'a pas été moins importante pour NT comparé à CT. Par ailleurs, la protection physique de la MOS contre la minéralisation du C et N a été évaluée par incubation d'échantillons de sol dont les structures entre 50 µm et 12.5 mm ont été progressivement détruites. Quatre zones structurales ont été considérées : zones avec une structure poreuse ou compacte pour CT et horizons 0-5 et 5-20 cm pour NT. Les résultats indiquent que la destruction de la structure de l'horizon 0-5 cm de NT induit une faible augmentation de la minéralisation de l'azote et pas d'augmentation pour la minéralisation du carbone. La protection de la MOS est en réalité la plus importante pour la couche 5-20 cm du NT. Ensuite, les différences de décomposition de la MOS entre CT et NT au champ ont été influencées par des différences de la température et de l'humidité du sol. Toutefois ces différences ont été souvent faibles et les conditions n'ont pas été systématiquement plus favorables pour la décomposition dans l'un ou l'autre des systèmes de travail du sol. Néanmoins, la distribution et la quantité de pluie et l'évaporation d'eau ont eu une influence importante sur la dynamique des flux de CO2. Les pluies induisent une réhumectation rapide des résidus de surface qui entraîne une augmentation importante des flux de CO2 pour NT par rapport à CT. Après les pluies, la teneur en eau des résidus de surface diminue rapidement ce qui limite sérieusement leur décomposition entraînant des émissions plus faibles pour NT comparé à CT. Finalement, les flux de C et N ont été simulés avec le modèle PASTIS. Les simulations ont montré que la quantité cumulée plus importante de CO2 émise par NT a résulté d'une décomposition plus importante des résidus de culture et pas d'une différence de décomposition des MOS. En réalité, la plus grande quantité des résidus de culture accumulée à la surface du sol dans NT fait plus que compenser la plus faible vitesse de décomposition des résidus en surface pour NT comparé avec la situation de résidus enfouis pour CT. En définitive, c'est la teneur en eau du mulch de résidus qui contrôle le plus l'amplitude de la différence de vitesse de décomposition des résidus entre CT et NT.
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