Soil organic carbon evolution at the regional scale : overcoming uncertainties & quantifying driving forces

(eng) "Soil is a non-renewable resource (…) vital to human activities and ecosystem survival" (EC, 2006). Soil protection requires studies and monitoring based on indicators of its quality. Soil organic matter content (SOM) is one the most relevant of these indicators. However, the inventory of soil organic carbon (SOC), the main component of SOM, is challenging at the regional scale due to its inherent large spatial variability and its slow dynamics. Uncertainties can reach high levels preventing both the detection of significant SOC changes through time and the identification of the driving forces involved. This, in turn, undermines the ability to implement judicious policies for SOC conservation or sequestration. Given such a context, this thesis aims to improve the understanding of long-term SOC dynamics in agricultural soils at the regional scale. The specific objectives are: (i) to detect the SOC stock changes under agriculture in southern Belgium between 1955 and 2005, (ii) to quantify the uncertainties and validate the methodology used, and (iii) to discriminate the driving forces involved in the observed SOC evolution. This thesis shows that significant changes in SOC stocks can be detected thanks to the stratification of the study area into spatial homogeneous units (based on land use, soil type, climate and agricultural region) and to the re-sampling of soil profiles from the 1950s. Despite uncertainties on the SOC stock assessment mainly arising from the laboratory analyses and the spatial variability, an opposite behaviour in the change in SOC stock is found between units under cropland (–12% on average in the plough layer) and units under grassland (+20% in the 0-30cm layer). The main driving forces of SOC evolution are the agricultural management for cropland and the soil texture (clay content) for grassland. The impact of climate change (i.e. of the changes in the mean annual temperature and precipitation) is of minor importance. Results also shows that the “baseline effect” (i.e. the inversely proportional effect of the initial SOC content on the SOC evolution) is responsible for an important part of the SOC variability. This challenges the assumption used in most SOC dynamic models that the initial SOC content represents steady state conditions. Based on these results, mixed linear models were built to predict the SOC stock in 1955, 2005 and its change between those two periods. However, these models still present large uncertainties after validation. At the end of the thesis, the perspective of using the re-sampled soil profiles as part of a future SOC monitoring network in southern Belgium – CARBOSOL – is investigated.

(fre) "Le sol est une ressource non renouvelable (...) essentielle à l’activité humaine et à la survie des écosystèmes" (CE, 2006). Sa préservation nécessite une étude et un suivi basés notamment sur des indicateurs de sa qualité. Le contenu en matière organique du sol (MOS) est un des plus importants de ces indicateurs. Cependant, réaliser l’inventaire du carbone organique du sol (COS), principal composant de la MOS, représente un défi à l’échelle régionale du fait de son importante variabilité spatiale et de sa lente dynamique. Les incertitudes peuvent atteindre des niveaux tels qu’elles empêchent non seulement la détection d’un changement de COS à travers le temps mais également l’identification des facteurs impliqués. La possibilité de mettre en œuvre des politiques judicieuses pour conserver ou augmenter le COS en est ainsi rendue plus difficile. Dès lors, cette thèse a pour but principal d’améliorer la compréhension de la dynamique du COS à long terme dans les sols agricoles à l’échelle régionale. Les objectifs de cette étude sont les suivants : (i) détecter les changements de stock de COS des sols agricoles en Wallonie (Belgique) entre 1955 et 2005, (ii) quantifier les incertitudes et valider la méthodologie utilisée, et (iii) identifier les facteurs explicatifs de l’évolution en COS observée. Cette thèse démontre que des changements significatifs de stock de COS peuvent être détectés grâce à la stratification de la zone d’étude en unités homogènes spatiales (basées sur l’utilisation du sol, le type de sol, le climat et la région agricole) ainsi qu’au ré-échantillonnage des profils de sol des années cinquante. Malgré les incertitudes pesant sur l’estimation du stock de COS, résultant principalement des analyses de laboratoire et de la variabilité spatiale, une évolution divergeante du stock de COS est observée dans les unités sous culture (–12% en moyenne dans l’horizon de labour) et les unités sous prairie (+20% dans la couche 0-30cm). Les principaux facteurs explicatifs de cette évolution en COS sont la gestion agricole pour les unités sous cultures et la texture du sol (contenu en argile) pour celles sous prairies. L’impact du changement climatique (au travers de l’évolution moyenne des températures et précipitations) est, quant à lui, de moindre importance. Les résultats montrent également que l’ « effet baseline » (c-à-d. l’effet inversément proportionnel du contenu initial en COS sur l’évolution du COS) est responsable d’une part importante de la variabilité en COS. Ceci rend fort discutable le fait de considérer le contenu initial en COS comme représentatif d’une situation d’équilibre – une hypothèse généralement utilisée dans les modèles de dynamique du COS. Sur base de ces résultats, des modèles linéaires mixtes ont été construits afin de prédire le stock de COS en 1955, 2005 et son changement entre ces deux périodes. Ces modèles présentent encore, toutefois, de larges incertitudes après leur validation. La dernière partie de la thèse aborde la perspective d’utilisation des profils de sol ré-échantillonnés comme partie intégrante d’un futur réseau de suivi du COS dans le sud de la Belgique – CARBOSOL.