Emissions of volatile organic compounds (VOCs) from soils in agricultural landscapes : identification of sources and impacts on air quality
Les émissions de composés organiques volatiles (COVs) des sols dans les paysages agricoles : identification des sources et incidences sur la qualité de l'air
Résumé
Volatile Organic Compounds (VOCs) are trace carbonaceous gases emitted in low concentrations from the continental and marine surfaces to the atmosphere. Highly reactive, these compounds are involved in atmospheric chemistry and are at the heart of many current environmental issues such as climate change related to greenhouse gases, air quality and feedback on the functioning of ecosystems. Terrestrial plant cover was previously identified as the main source of VOCs of biogenic origin. But recent studies suggest that soils could be major sources of VOCs. However, in agricultural anthropogenic landscapes, soils are subject to various and varied uses and management and are likely to modify qualitatively and quantitatively the patterns of VOC emissions. Paradoxically, agrosystem soils have been the subject of few inventories of their VOC emissions. The scarcity of knowledge on the contribution of agrosystems soils in VOC emissions motivated this work of thesis in which three objectives were pursued : i) inventory the spectra and quantify the VOCs fluxes emitted by soils in agricultural landscapes (ii) to determine the role of soil microorganisms in emissions and (iii) to identify the abiotic determinants controlling VOC emissions by soils. A first part of the work has consisted in analyzing the temporal dynamics of VOCs emissions in the field, in two observatory sites representative of the Britain agricultural landscape : the EFELE site (SOERE-PRO) comprising cultivated soils subjected to contrasting fertilization practices, and the Zone Atelier Armorique (ZAAr) including fertilized permanent meadows and wet meadows characterized by a low degree of anthropization. The second step of the work was conducted in the laboratory to clarify and complete the field observations, two series of laboratory experiments were conducted to manipulate, i) the soil organic carbon source via the input of different model molecules (ii) microbial communities by transplanting natural microbial communities into three distinct soils. This study has generated technical advances and produced entirely new results concerning both the characterization of spectra and the quantification of biogenic VOC fluxes emitted by soils. Thus, we show, in the laboratory and in the field, that a soil emits about forty masses of which only a few (1 to 4) are dominant. These VOC spectra are also specific to land uses (crop vs meadow) and fertilization practices. We also show that : i) there is a temporality of VOC emissions by soils ranging from 22 to 167 μg of VOCs per m−2 h−1, the winter period is the least emissive and ii) adds that some fertilization practices, such as pig slurry, induce a flux of methanol up to 10 times that observed by soils amended with methanised pig slurry. Regarding the role of soil microorganisms in VOCs production, we demonstrate that the VOCs spectrum is not representative of the phylogenetic diversity of the soil community but rather of the metabolic activity of active microorganisms. As for the exploration of abiotic determinants that can regulate emissions, our results suggest that the addition of organic molecules to the soil induces a rapid change in the VOC spectrum emitted by the soil, ranging from a few hours to a few days after intake. This modification is dependent on the degree of polymerization of the molecule provided. All research suggests that VOC emissions by soils are not negligible. Their key position in terms of issues requires to be of greater interest and to take them into account in future scenarios of global changes (climate and land uses), especially with regard to emerging practices of soil management in connection with the ecological transition initiated in agriculture. Similarly, the consideration of VOCs emissions in the biogeochemical cycles of carbon and that of nitrogen to better understand the functioning of ecosystems is also discussed in this document.
Les composés Organiques Volatils (COVs) sont des gaz carbonés rares, émis en faible concentration depuis les surfaces continentale et marine vers l’atmosphère. Très réactifs, ces composés sont impliqués dans la chimie atmosphérique et sont au cœur de nombreuses problématiques environnementales actuelles telles que le changement climatique lié aux gaz à effet de serre, la qualité de l’air et les rétroactions sur le fonctionnement des écosystèmes. Les couverts végétaux terrestres étaient jusqu’alors identifiés comme les sources principales de COVs d’origine biogénique. Mais, de récentes études suggèrent que les sols pourraient constituer des sources majeures de COVs. Or dans les paysages anthropisés agricoles, les sols sont l’objet d’usages et de gestions divers et variés et sont susceptibles de modifier qualitativement et quantitativement les patrons d’émissions de COVs. Paradoxalement, les sols d’agrosystèmes ont fait l’objet de peu d’inventaires de leurs émissions de COVs. La rareté des connaissances sur la contribution des sols d’agrosystèmes dans les émissions de COVs a motivé ce travail de thèse dans lequel trois objectifs ont été poursuivis : i) inventorier les spectres et quantifier les flux de COVs émis par les sols dans les paysages agricoles, ii) déterminer le rôle des microorganismes du sol dans les émissions et iii) identifier les déterminants abiotiques régulant les émissions de COVs par les sols. Une première partie du travail a consisté à analyser les dynamiques temporelles d’émissions de COVs sur le terrain, dans deux sites observatoires représentatifs du paysage agricole Breton : le site EFELE (SOERE-PRO) comprenant des sols cultivés soumis à des pratiques de fertilisation contrastées, et la Zone Atelier Armorique (ZAAr) comprenant des prairies permanentes fertilisées et des prairies humides caractérisées par un faible degré d’anthropisation. La deuxième partie du travail a été menée en laboratoire pour expliciter et compléter les observations de terrain, deux séries d’expérimentations en laboratoire ont été réalisées permettant de manipuler, i) la source de carbone organique du sol via l’apport de différentes molécules modèles, ii) les communautés microbiennes par la transplantation de communautés microbiennes naturelles dans trois sols distincts. Cette étude aura permis de montrer, en laboratoire et sur le terrain, qu’un sol émet une quarantaine de masses dont seules quelques-unes (1 à 4) sont dominantes. Ces spectres de COVs sont par ailleurs spécifiques des usages des sols (culture vs prairie) et des pratiques de fertilisation. Nous montrons aussi : i) qu’il existe une temporalité des émissions de COVs par les sols allant de 22 à 167 μg de COVs par m−2 h−1, la période hivernale étant la moins émissive et que ii) s’ajoute que certaines pratiques de fertilisation, comme l’apport de lisier de porc, induisent un flux de méthanol pouvant atteindre jusqu’à 10 fois celui qui est observé par les sols amendés avec du digestat de lisier de porc. Concernant, le rôle des microorganismes du sol dans la production de COVs, nous démontrons que le spectre de COVs n’est pas représentatif de la diversité phylogénétique de la communauté du sol mais plutôt de l’activité métabolique des microorganismes actifs. S’agissant de l’exploration des déterminants abiotiques susceptibles de réguler les émissions, nos résultats suggèrent que l’ajout de molécules organiques au sol, induit un changement rapide dans le spectre de COVs émis par le sol. Cette modification est dépendante du degré de polymérisation de la molécule apportée. Pour conclure, l’approche intégrative et interdisciplinaire mise en œuvre dans ce travail de thèse a permis d’accroître les connaissances sur les émissions de COVs biogéniques par les sols. L’ensemble des recherches suggère que les émissions de COVs par les sols ne sont pas négligeables. Leur position dans les cycles biogéochimiques nécessite leur intégration dans les scenarii futurs des changements globaux.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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