# Stocker du carbone dans les sols français. Quel potentiel au regard de l'objectif 4 pour 1000 et à quel coût ?

Sylvain Pellerin, Laure Bambière, Camille Launay, Raphaël Martin, Michele Schiavo, Denis Angers, Laurent Augusto, Jérôme Balesdent, Isabelle Basile-Doelsch, Valentin Bellassen, et al.

► To cite this version:

Sylvain Pellerin, Laure Bambière, Camille Launay, Raphaël Martin, Michele Schiavo, et al. Stocker du carbone dans les sols français. Quel potentiel au regard de l'objectif 4 pour 1000 et à quel coût?. [0] INRA. 2020, pp.528. hal-03163517

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# STOCKER DU CARBONE DANS LES SOLS FRANÇAIS

## QUEL POTENTIEL AU REGARD DE L'OBJECTIF 4 POUR 1000 ET À QUEL COÛT ?

RAPPORT SCIENTIFIQUE DE L'ÉTUDE - DÉCEMBRE 2020

ÉTUDE RÉALISÉE POUR L'ADEME ET LE MINISTÈRE DE L'AGRICULTURE ET DE L'ALIMENTATION

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INRA
SCIENCE & IMPACT
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INRA
SCIENCE & IMPACT

# Stocker du carbone dans les sols français

## Quel potentiel au regard de l'objectif 4 pour 1000 et à quel coût ?

## Rapport scientifique de l'étude

Sylvain Pellerin et Laure Bamière (pilotes scientifiques), Camille Launay, Raphaël Martin, Michele Schiavo, Denis Angers, Laurent Augusto, Jérôme Balesdent, Isabelle Basile-Doelsch, Valentin Bellassen, Rémi Cardinael, Lauric Cécillon, Eric Ceschia, Claire Chenu, Julie Constantin, Joël Darroussin, Philippe Delacote, Nathalie Delame, François Gastal, Daniel Gilbert, Anne-Isabelle Graux, Bertrand Guenet, Sabine Houot, Katja Klumpp, Elodie Letort, Isabelle Litrico, Manuel Martin, Safya Menasseri, Delphine Mézière, Thierry Morvan, Claire Mosnier, Jean Roger-Estrade, Laurent Saint-André, Jorge Sierra, Olivier Thérond, Valérie Viaud, Régis Grateau, Sophie Le Perchec, Olivier Réchauchère,

Décembre 2020
**Pilotes scientifiques de l'étude** : Sylvain Pellerin et Laure Bamière

**Chargés d'étude** : Bassem Dimassi, Camille Launay, Raphaël Martin, Michele Schiavo

**Experts scientifiques principaux** : Denis Angers, Laurent Augusto, Jérôme Balesdent, Isabelle Basile-Doelsch, Valentin Bellassen, Rémi Cardinael, Lauric Cécillon, Eric Ceschia, Claire Chenu, Julie Constantin, Joël Darroussin, Philippe Delacote, Nathalie Delame, François Gastal, Anne-Isabelle Graux, Bertrand Guenet, Sabine Houot, Katja Klumpp, Elodie Letort, Manuel Martin, Safya Menasseri, Delphine Mézière, Thierry Morvan, Claire Mosnier, Jean Roger-Estrade, Laurent Saint-André, Olivier Thérond, Valérie Viaud

**Experts scientifiques contributeurs ponctuels** : Florent Chlebowski, Jean-Luc Dupouey, Morgan Ferlicoq, Daniel Gilbert, Florent Levavasseur, Isabelle Litrico, Gaetan Pique, Jorge Sierra

**Coordination du projet** : Olivier Réchauchère

**Documentation** : Sophie Le Perchec, Régis Grateau

**Appui rédactionnel et édition** : Isabelle Savini

**Directeur de la publication** : Guy Richard, Directeur de l'Expertise scientifique collective, de la Prospective et des Etudes (DEPE)

**Contacts** :

Sylvain Pellerin : sylvain.pellerin(a)inrae.fr

Laure Bamière : laure.bamiere(a)inrae.fr

Olivier Réchauchère : olivier.rechauchere(a)inrae.fr

Le présent document constitue le rapport scientifique de l'étude sollicitée conjointement par l'Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie (ADEME) et le Ministère de l'Agriculture et de l'Alimentation (MAA), convention n°1660C0020. Le Centre d'Accès Sécurisé aux Données (CASD) a permis l'accès au Réseau d'Information Comptable Agricole (RICA)<fnref n="1" />.

Ce rapport d'étude a été élaboré par les experts scientifiques sans condition d'approbation préalable par les commanditaires ou l'INRA. Son contenu n'engage que la responsabilité de ses auteurs.

Ce rapport ainsi que les documents de synthèse qui en sont issus sont disponibles sur le site institutionnel d'INRAE (www.inrae.fr).

**Pour citer ce document** :

Sylvain Pellerin et Laure Bamière (pilotes scientifiques), Camille Launay, Raphaël Martin, Michele Schiavo, Denis Angers, Laurent Augusto, Jérôme Balesdent, Isabelle Basile-Doelsch, Valentin Bellassen, Rémi Cardinael, Lauric Cécillon, Eric Ceschia, Claire Chenu, Julie Constantin, Joël Darroussin, Philippe Delacote, Nathalie Delame, François Gastal, Daniel Gilbert, Anne-Isabelle Graux, Bertrand Guenet, Sabine Houot, Katja Klumpp, Elodie Letort, Isabelle Litrico, Manuel Martin, Safya Menasseri, Delphine Mézière, Thierry Morvan, Claire Mosnier, Jean Roger-Estrade, Laurent Saint-André, Jorge Sierra, Olivier Thérond, Valérie Viaud, Régis Grateau, Sophie Le Perchec, Olivier Réchauchère, 2020. *Stocker du carbone dans les sols français, Quel potentiel au regard de l'objectif 4 pour 1000 et à quel coût ? Rapport scientifique de l'étude, INRA (France)*, 540 p.

Photo de couverture : Calcosol fluvique, sablo-argileux, issu d'alluvions sablo-calcaires (Gizeux, Indre-et-Loire), Réseau de mesure de la qualité des sols (RMQS) - Crédit : Claudy Jolivet (INRA)

<footnote n="1">¹ Le CASD est un groupement d'intérêt public qui a pour objet principal de mettre en œuvre des services d'accès sécurisé pour les données confidentielles à des fins de recherche. Il est financé sur des fonds publics et, de ce fait, la présente étude a bénéficié d'une aide de l'Etat gérée par l'Agence Nationale de la Recherche au titre du Programme Investissements d'Avenir portant référence ANR-106EQPX-17 (Centre d'accès sécurisé aux données - CASD).</footnote>
Avant-propos

L'initiative « 4‰ sur les sols pour la sécurité alimentaire et le climat », lancée par la France à l'occasion de la Conférence de Paris sur le climat (COP-21), propose d'augmenter chaque année d'un quatre millième le stock de carbone présent dans tous les sols du monde afin de compenser les émissions anthropiques de CO2. Cet objectif, très ambitieux, nécessite des évolutions profondes des pratiques agricoles et des modes de gestion sylvicoles, certaines pouvant s'accompagner de modifications de systèmes de production et, éventuellement, des modes d'usage des sols.

C'est dans ce contexte que le Ministère de l'Agriculture et de l'Alimentation (MAA) et l'Agence De l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie (ADEME) ont demandé à l'INRA de conduire la présente étude "4 pour mille France". Les objectifs étaient : i) d'identifier des pratiques agricoles et sylvicoles plus "stockantes" que les pratiques actuellement mises en œuvre ; ii) de chiffrer le potentiel de stockage additionnel associé, de le cartographier, de quantifier les autres effets induits liés à l'adoption de ces pratiques stockantes (pertes ou gains de rendement, émissions de N2O, lixiviation de nitrate, utilisation de produits phytosanitaires...) ; iii) de chiffrer leur coût de mise en œuvre et de proposer une stratégie coût-efficace de stockage.

Le présent document constitue le rapport scientifique de cette étude. Ce travail a fait l'objet de documents de synthèse et d'un colloque public de restitution, qui s'est tenu à Paris le 13 juin 2019.

L'ensemble des documents ainsi que la captation vidéo du colloque sont disponibles sur le site institutionnel d'INRAE ([www.inrae.fr](http://www.inrae.fr)).
# Sommaire général

<table><tr><td>Les participants à l'étude</td><td>6</td></tr><tr><td>Sigles et abréviations</td><td>10</td></tr><tr><td>1. Introduction</td><td>11</td></tr><tr><td>1.1. Contexte et motivations de l'étude</td><td>12</td></tr><tr><td>1.2. Objectifs et modalités de mise en œuvre de l'étude</td><td>14</td></tr><tr><td>1.3. Plan du rapport</td><td>16</td></tr><tr><td>2. Eléments de méthodologie de l'étude</td><td>19</td></tr><tr><td>2.1. Principes et méthodes de travail pour les projets conduits par la DEPE de l'Inra</td><td>20</td></tr><tr><td>2.2. Caractérisation du collectif d'experts : champs disciplinaires couverts, collaboration scientifiques</td><td>21</td></tr><tr><td>2.3. Caractérisation des liens d'intérêt dans le collectif d'experts</td><td>30</td></tr><tr><td>3. Analyse bibliographique</td><td>33</td></tr><tr><td>3.1. Stockage de carbone dans les sols : définitions, concepts mobilisés et conventions</td><td>38</td></tr><tr><td>3.2. Les mécanismes à l'origine du stockage/déstockage de carbone dans les sols</td><td>46</td></tr><tr><td>3.3. Les modèles d'évolution des stocks de carbone dans les sols</td><td>69</td></tr><tr><td>3.4. Effet de la teneur en C des sols sur le fonctionnement des agroécosystèmes</td><td>85</td></tr><tr><td>3.5. Stocks de carbone des sols métropolitains et effet des changements d'occupation des sols sur l'évolution de ces stocks</td><td>95</td></tr><tr><td>3.6. Etat des connaissances sur des pratiques réputées « stockantes » en forêt</td><td>116</td></tr><tr><td>3.7. Etat des connaissances sur les pratiques réputées « stockantes » en prairies permanentes</td><td>132</td></tr><tr><td>3.8. Etat des connaissances sur des pratiques réputées stockantes en grande culture et cultures pérennes</td><td>145</td></tr><tr><td>3.9. L'agroforesterie, les haies, les bords de champs</td><td>199</td></tr><tr><td>3.10. Synthèse sur les relations entre pratiques « stockantes » et processus / facteurs affectés</td><td>211</td></tr><tr><td>3.11. Combinaisons de pratiques stockantes à l'échelle du système de culture, de l'exploitation et du territoire</td><td>215</td></tr><tr><td>3.12. Méthodes d'évaluation des coûts de mise en œuvre de pratiques stockantes</td><td>227</td></tr><tr><td>3.13. Les outils incitatifs, les politiques existantes, les leviers et les freins à l'adoption de pratiques stockantes</td><td>237</td></tr><tr><td>3.14. Synthèse et conclusion de l'analyse bibliographique</td><td>245</td></tr><tr><td>Focus 3-1. La génétique, un levier d'action pour l'amélioration du stockage de carbone</td><td>249</td></tr><tr><td>Focus 3-2. Stocks et stockage de carbone : le cas des sols des Antilles</td><td>250</td></tr><tr><td>Annexes</td><td>252</td></tr><tr><td>4. Estimations du potentiel technico-économique de stockage additionnel de carbone dans les sols français</td><td>259</td></tr><tr><td>4.1. Approche globale mise en œuvre pour l'analyse conjointe du potentiel de stockage additionnel et du coût</td><td>261</td></tr><tr><td>4.2. Pratiques stockantes retenues</td><td>271</td></tr></table>
<table><tbody><tr><td>4.3. Simulations réalisées pour l'estimation du stockage additionnel</td><td>272</td></tr><tr><td>4.4. Résultats relatifs au potentiel de stockage additionnel</td><td>280</td></tr><tr><td>4.5. Calculs réalisés pour l'estimation du coût de mise en œuvre des pratiques et résultats</td><td>322</td></tr><tr><td>4.6. Allocation coût-efficace de l'effort de stockage</td><td>368</td></tr><tr><td><strong>5. Synthèse et discussion</strong></td><td><strong>389</strong></td></tr><tr><td>Principaux enseignements de l'étude</td><td>390</td></tr><tr><td>Conséquences en termes de politiques publiques</td><td>391</td></tr><tr><td>Originalité de l'étude, suites à donner et besoins de recherche</td><td>392</td></tr><tr><td><strong>Annexes : Fiches des neuf pratiques stockantes étudiées</strong></td><td><strong>395</strong></td></tr><tr><td>Annexe I. "Insérer et allonger les cultures intermédiaires"</td><td>397</td></tr><tr><td>Annexe II. "Développer le semis direct"</td><td>415</td></tr><tr><td>Annexe III. "Allonger et insérer des prairies temporaires dans les rotations de cultures"</td><td>427</td></tr><tr><td>Annexe IV. "Mobiliser de nouvelles ressources organiques"</td><td>439</td></tr><tr><td>Annexe V. "Substituer du pâturage à de la fauche"</td><td>467</td></tr><tr><td>Annexe VI. "Augmenter modérément la fertilisation minérale azotée des prairies permanentes"</td><td>481</td></tr><tr><td>Annexe VII. "Développer l'agroforesterie dans les parcelles cultivées"</td><td>497</td></tr><tr><td>Annexe VIII. "Implanter des haies en périphérie de parcelles cultivées"</td><td>509</td></tr><tr><td>Annexe IX. "Enherber les vignobles"</td><td>521</td></tr></tbody></table>

**Etude complémentaire : "Effet du changement climatique sur le stockage de carbone dans les sols de grandes cultures"**
# Les participants à l'étude

## Pilotes scientifiques

**Laure Bamière**, INRA, UMR Economie Publique, Grignon. *Economie de l'environnement, atténuation des émissions de GES du secteur agricole, modélisation*

**Sylvain Pellerin**, INRA, UMR ISPA "Interactions Sol-Plante-Atmosphère", Bordeaux. *Cycles Carbone et éléments nutritifs dans les agro-écosystèmes, modélisation*

## Chargés d'étude

Bassem Dimassi, US InfoSol, Orléans. *Etude préliminaire d'estimation des apports de C nécessaire pour atteindre l'objectif 4‰ à l'échelle du territoire français*

Camille Launay, INRA, UMR AGIR "Agroécologie, Innovations, Territoires", Toulouse. *Simulations agronomiques sous STICS*

Raphaël Martin, INRA, UMR UREP "Unité Mixte de Recherche sur l'Ecosystème Prairial", Clermont-Ferrand. *Simulations agronomiques sous PaSim*

Michele Schiavo, INRA, DEPE "Délégation à l'Expertise scientifique collective, à la Prospective et aux Etudes", Paris. *Calcul des coûts techniques et assemblage des simulations agronomiques et économiques*

## Experts scientifiques

### Processus (sciences du sol)

Denis Angers, AAC "Agriculture et Agroalimentaire Canada", Québec. *Dynamique du carbone dans les sols*

Jérôme Balesdent, INRA, UMR CEREGE "Centre de Recherche et d'Enseignement de Géosciences de l'Environnement", Aix-en-Provence. *Dynamique du carbone dans les sols, fertilisation*

Isabelle Basile-Doelsch, INRA, UMR CEREGE "Centre de Recherche et d'Enseignement de Géosciences de l'Environnement", Aix-en-Provence. *Stabilisation du carbone dans les sols*

Claire Chenu, AgroParisTech, UMR Bioemco "Biogéochimie et écologie des milieux continentaux", Paris. *Dynamique du carbone dans les sols*

### Pratiques stockantes en sols cultivés

Rémi Cardinael, CIRAD, UR AIDA "Agroécologie et intensification durable des cultures annuelles", Université du Zimbabwe. *Agroforesterie*

Eric Ceschia, INRA, UMR CESBIO "Centre d'Etudes Spatiales de la BIOsphère", Toulouse. *Cultures intermédiaires*

Joël Darroussin, INRA, UR Sciences du Sol, Orléans. *Résistance des sols à l'érosion*

Sabine Houot, INRA, UMR ECOSYS "Ecologie fonctionnelle et éco-toxicologie des agroécosystèmes", Thiverval-Grignon. *Produits résiduaires organiques*

Safya Menasseri, Agrocampus Ouest, UMR SAS "Sol Agro et hydrosystème Spatialisation", Rennes. *Travail du sol, résidus de culture*

Delphine Mézière INRA, UMR System "Fonctionnement et conduite des systèmes de culture tropicaux et méditerranéens", Montpellier. *Agroforesterie tempérée*

Thierry Morvan, INRA, UMS SAS "Sol Agro et hydrosystème Spatialisation", Quimper. *Recyclage des effluents*

Jean Roger-Estrade, AgroParisTech, UFR DISC "Diagnostic et conception des Itinéraires techniques et des Systèmes de Culture", Paris. *Travail du sol, systèmes de culture*

### Pratiques stockantes en prairies

François Gastal, INRA, UR P3F "Unité de Recherche Pluridisciplinaire Prairies et Plantes Fourragères", Lusignan. *Ecologie végétale, sols de prairie*

Anne-Isabelle Graux, INRA, UMR Pegase "Physiologie, Environnement et Génétique pour l'Animal et les Systèmes d'Élevage", Rennes. *Systèmes d'élevage, sols de prairie*

Katja Klumpp, INRA, UMR UREP "Unité Mixte de Recherche sur l'Ecosystème Prairial", Clermont-Ferrand. *Système d'élevages, sols de prairie*
• Combinaison des pratiques

Olivier Thérond INRA, UMR LAE "Laboratoire agronomie et environnement", Colmar. Combinaison des pratiques, systèmes de culture

• Gestion forestière

Laurent Augusto, INRA, UMR ISPA "Interaction Sol Plante Atmosphère", Bordeaux. Gestion forestière

Lauric Cécillon, IRSTEA, Laboratoire ECODIV "Étude et compréhension de la biodiversité", Rouen, et UMR "Laboratoire de Géologie de l'Ecole normale supérieure", Paris. Gestion forestière

Laurent Saint André, INRA, UR BEF "Biogéochimie des Ecosystèmes Forestiers", Nancy. Gestion forestière

• Spatialisation et modélisation

Julie Constantin INRA, UMR AGIR "Agroécologie, Innovations, Territoires", Toulouse. Agronomie, systèmes de culture, modélisation STICS

Bertrand Guenet, CNRS, UMR LSCE "Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement", Gif-sur-Yvette. Sciences du sol, biogéochimie, modélisation

Manuel Martin, INRA, US InfoSol, Orléans. Agronomie, spatialisation du stock de carbone des sols

Valérie Viaud, INRA, UMS SAS "Sol Agro et hydrosystème Spatialisation", Rennes. Spatialisation du stock de carbone des sols

• Economie

Valentin Bellassen, INRA, UMR CESAER "Centre d'Economie et de Sociologie appliquées à l'Agriculture et aux Espaces Ruraux", Dijon. Marché des droits carbone, agroécologie

Philippe Delacote, INRA, UMR BETA "Bureau d'Economie Théorique et Appliquée", Nancy et Chaire d'Économie du Climat, Paris. Economie de l'environnement, modélisation secteur forêt

Nathalie Delame, INRA, UMR Economie Publique, Grignon. Economie des exploitations agricoles

Elodie Letort, INRA, UMR SMART-LERECO "Laboratoire d'Etudes et de Recherches en Economie sur les Structures et Marchés Agricoles, Ressources et Territoires" Rennes. Usage des sols

Claire Mosnier, INRA, UMR UMRH "Unité Mixte de Recherche sur les Herbivores", Clermont-Ferrand. Elevage, changement climatique

• Experts contributeurs ponctuels

Florent Chlebowski, INRA, UR Agro-Impact, Laon. Paramétrage de STICS

Jean-Luc Dupouey, INRA, UMR Silva, Nancy. Calculs de surface et stocks sous forêts

Morgan Ferlicoq, UMR CESBIO "Centre d'Etudes Spatiales de la BIOsphère", Toulouse. Cultures intermédiaires, propriétés biogéophysiques des sols

Daniel Gilbert, Université de Franche-Comté, "Laboratoire Chrono-Environnement", Besançon. Sols de tourbières

Florent Levavasseur, INRA, UMR ECOSYS, Thiverval-Grignon. Paramétrage de STICS

Isabelle Litrico, INRA, UR P3F "Unité de Recherche Pluridisciplinaire Prairies et Plantes Fourragères", Lusignan. Amélioration variétale et stockage de carbone

Gaetan Pique, UMR CESBIO "Centre d'Etudes Spatiales de la BIOsphère", Toulouse. Cultures intermédiaires, propriétés biogéo-physiques des sols

Jorge Sierra, INRA, UR ASTRO "Agrosystèmes tropicaux", Petit-Bourg, Guadeloupe. Stockage de carbone dans les sols tropicaux

Documentation

Sophie Le Perchec, INRA, Direction déléguée à l'IST-Erist et DEPE. Recherche documentaire, appui bibliographique aux experts

Régis Grateau, INRA, UMR Economie Publique, Grignon. Appui documentaire

Ingénierie des données de simulation

Eric Casellas, INRA, UR MIA "Mathématiques et Informatique Appliquées", Toulouse. Données du modèle STICS sous la plateforme RECORD
## Direction de l'expertise scientifique collective, de la prospective et des études (DEPE)

Guy Richard, Directeur. *Supervision du projet, animation du comité de suivi et du comité consultatif d'acteurs*

Chantal Le Mouël, conseillère pour les sciences sociales à la DEPE. *Appui méthodologique pour les simulations économiques*

* **Équipe projet**

Marc-Antoine Caillaud. *Communication, appui à l'organisation du colloque*

Kim Girard. *Suivi logistique et administratif*

Samia Oukaci. *Suivi logistique et administratif*

**Olivier Réchauchère.** *Conduite du projet, rédaction*

Isabelle Savini. *Rédaction de la synthèse, édition*

## Comité de suivi

Jérôme Mousset (ADEME), Isabelle Feix (ADEME), Isabelle Pion (MAA), Rik Vandererven (MAA), Michel Beckert (MESRI), Valérie To (MTES), Chantal Gascuel (INRA).

## Comité technique

Philippe Boullet (Cerfrance), Jean-Yves Cahurel (IFV), Hélène Chambaut (Idele), Sylvain Doublet (Solagro), Annie Duparque (Agro-Transfert Ressources et Territoires), **Thomas Eglin** (ADEME ; animateur), Jean-Luc Fort (RMT Sol et Territoire / Chambre d'Agriculture Poitou-Charentes), Jérôme Labreuche et François Laurent (Arvalis), Blaise Leclerc (ITAB), Fabien Liagre (Agroof SCOP), Fabienne Muller (ADEME), Sandra Novak (INRA), Anne-Sophie Perrin (Terres Inovia).

Contributeurs ponctuels : Yousri Hannachi et Léa Lemoine (Assemblée Permanente des Chambres d'Agriculture), Chloé Mahé (ADEME), Philippe Guillet, Pauline Gautier et Sarah Petiard-Colombié (Chambre d'Agriculture Pays de la Loire), Robert Trochard (Arvalis).

## Comité consultatif d'acteurs

Alain Bailly (FCBA), Marie-Laure Bailly (FNCUMA), Olivier Baudy et Jean-Louis Bonnet (SCoT Rovaltain Drôme-Ardèche), Jean-Claude Bevillard (France Nature Environnement), Jean-Paul Bordes (Arvalis), Frédéric Cardon Dubois (ARF, Région Normandie), Pauline Caron (FARRE), Christine Deleuze (ONF), Cyrielle Denhartigh et Anne-Laure Sablé (Réseau Action Climat), Sarah Feuillette (Agence de l'Éau Seine Normandie), Isabelle Flouret (Forestiers Privés de France), Claudine Foucherot (I4CE - Institute for Climate Economics), Yves Gabory (Afac-Agroforesteries), Stéphanie Gaillard (Syndicat des Energies Renouvelables), Sophie Gardette, Benoît Lavier et Gérard Rass, (Association pour la Promotion de l'Agriculture Durable), Agnès Gosselin, Noémie Pousse et Pascal Podwojewski (Association Française d'Etude des Sols), Danielle Lanquetuit (Association Française d'Agronomie), Séverin Lavoyer (Association Française d'Agroforesterie), Gwenäelle Le Borgne, Etienne Mathias et Colas Robert (CITEPA), Blaise Leclerc (ITAB), Hélène Leriche (Orée), Raoul Leturcq (FNAB), Paul Luu (Initiative "4 pour 1000"), Jean-Baptiste Millard (saf agrïDées), Jean-Claude Moreau (Réseau CIVAM), Anne Schneider (Terres Inovia), Marie-Hélène Schwoob (IDDRI).

## Remerciements à :

Dominique Arrouays, INRA, US Infosol, Orléans, pour sa relecture d'une partie du rapport.

Service de la statistique et de la prospective (SSP) du Ministère de l'agriculture et de l'alimentation, pour la mise à disposition des données des enquêtes Pratiques culturales - grandes cultures et Pratiques élevage, de l'enquête Structures des exploitations agricoles et du Réseau d'information comptable agricole.

Anne Meillet, Thomas Poméon et Eric Cahuzac, INRA, ODR "Observatoire des Programmes Communautaires de Développement Rural", Toulouse, pour la mise à disposition de données mobilisées dans les simulations STICS et PaSim, élaborées dans le cadre de l'étude EFESE-EA.

Hélène Raynal, INRA, UR MIA "Mathématiques et Informatique Appliquées", Toulouse, pour l'appui sur la mise en œuvre des simulations STICS sur la plateforme RECORD.

Bruno Mary, INRA, UR Agro-Impact, Laon, pour l'appui à la prise en main de la nouvelle version de STICS et l'ajustement de son paramétrage.

Unité de Service Infosol, pour la fourniture des cartes des stocks de carbone (© INRA, Unité Infosol, Orléans, 2018).

Christine Le Bas, INRA, US Infosol, Orléans, pour la mise à disposition des données pédologiques.

Météo-France, pour la fourniture des données climatiques.

Patrick Bertuzzi, INRA, US Agroclim, Avignon, pour la mise à disposition des données climatiques Météo-France.
Nous souhaitons ici avoir une pensée pour nos deux collègues Bassem Dimassi et Jérôme Balesdent, qui étaient impliqués dans cette étude et nous ont quittés prématurément.

Bassem Dimassi avait travaillé au tout début de l'étude, en 2017, pour mener un travail de simulation préliminaire. Il s'agissait d'estimer des quantités de carbone à apporter au sol pour augmenter le stock de 4p1000 par an. Les résultats obtenus à l'échelle de la France et avec un haut niveau de résolution ont ainsi constitué une référence précieuse pour la suite de l'étude.

Formé à l'Institut National d'Agronomie de Tunis en 2006, il avait construit sa trajectoire scientifique sur cette thématique du stockage de carbone dans le sol, encadré par Claire Chenu et Benoit Gabrielle en master, puis par Bruno Mary en thèse, et par Manuel Martin lors de son post doctorat au sein de l'unité InfoSol où il a travaillé jusqu'à la fin de l'année 2017.

Bassem possédait une personnalité amicale, sincère et attachante, dont témoignent tous ceux qui ont pu le côtoyer.

Jérôme Balesdent était un chercheur mondialement reconnu pour ses travaux sur la matière organique des sols, dont il a contribué à élucider la dynamique en mobilisant l'abondance relative des différents isotopes du carbone. En plus de cette brillante carrière, il s'était impliqué dans l'expertise scientifique, en participant en 2002 à l'expertise « Stocker du carbone dans les sols agricoles de France » puis à la présente étude, dans laquelle, au-delà du chapitre dont il était un des coordinateurs, il était très engagé pour stimuler la réflexion collective.

C'est d'ailleurs dans une publication cosignée avec Dominique Arrouays en 1999² que l'on trouve la première mention de l'idée du 4 pour 1000 : « Les matières organiques des sols de la planète contiennent 1 500 milliards de tonnes de carbone, et constituent le plus gros réservoir superficiel échangeant du carbone avec l'atmosphère. Il s'agit d'une source ou d'un puits potentiel de CO₂ énorme : à titre d'illustration, une augmentation annuelle de ce réservoir de seulement 0,4% par an stockerait autant de carbone que la combustion de carbone fossile n'en émet. »

Jérôme avait mis beaucoup de son énergie dans ce travail d'appui aux politiques publiques, mobilisant ses connaissances, sa rigueur scientifique et son sens très fin des relations humaines. Il y voyait une forme d'engagement du chercheur pour contribuer à la résolution des enjeux planétaires.

Sa disparition à l'été 2020 a plongé tous ses collègues dans une grande tristesse. Sa modestie, son ouverture d'esprit et sa bienveillance étaient reconnues et appréciées de toutes et tous.

<footnote n="2">² Jérôme Balesdent et Dominique Arrouays, Usage des terres et stockage de carbone dans les sols du territoire français. Une estimation des flux nets annuels pour la période 1900-1999, C.R. Acad.Agric. Fr., 1999, 85, n°6, pp 265-277. Séance du 19 mai 1999.</footnote>
Sigles et abréviations

ADEME : Agence de l'Environnement et de la Maîtrise de l'Energie

AE : assiette effective (d'une pratique stockante)

AMG : modèle AMG (du nom de ses auteurs : Andriulo, Mary, Guérif)

AMT : assiette maximale technique (d'une pratique stockante)

AT : assiette théorique (d'une pratique stockante)

BDAT : Base de Données d'Analyses des Terres

BCAE : Bonnes Conditions Agricoles et Environnementales

BDGSF : Base de Données Géographique des Sols de France

CITEPA : Centre Interprofessionnel Technique d'Etudes de la Pollution Atmosphérique

C : carbone

CaCO₃ : carbonate de calcium

CEC : capacité d'échange cationique

CH₄ : méthane

CO₂ : gaz carbonique

CO₂e : gaz carbonique équivalent

COD : carbone organique dissout

COP 21 : 21ᵉ Conférence des Parties de la Convention-Cadre des Nations-Unies sur les Changements Climatiques (CCNUCC) ; tenue à Paris en 2015

COS : carbone organique des sols

CUE : carbon use efficency

CUMA : Coopérative d'Utilisation de Matériel Agricole

DEPE : Délégation à l'Expertise scientifique collective, à la Prospective et aux Etudes de l'INRA

GES : gaz à effet de serre

GIEC : Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat (IPCC en anglais)

GIS : Groupement d'Intérêt Scientifique

Gt : gigatonne (10⁹ t)

IPCC : Intergovernmental Panel on Climate Change

ISOP : Information et Suivi Objectif des Prairies

K : potassium

MACC : Marginal abatement cost curve (courbe de coût d'abattement marginal)

MB : matière brute

M€ : million d'euros

Mha : million d'hectares

MO : matière(s) organique(s)

MOD : matière(s) organique(s) dissoute(s)

MOP : matière(s) organique(s) particulaire(s)

MOS : matière(s) organique(s) du sol

MS : matière sèche

MtC : million de tonnes (10⁶ t) de carbone

N : azote

N₂O : protoxyde d'azote

NH₃ : ammoniac

NO₃⁻ : nitrate

NRO : nouvelles ressources organiques

O₂ : oxygène

ODR : Observatoire des programmes communautaires de Développement Rural

P : phosphore

RICA : Réseau d'Information Comptable Agricole

RMQS : Réseau de Mesure de la Qualité des Sols

RPG : Registre Parcellaire Graphique

S : soufre

SAA : Statistique Agricole Annuelle

SNBC : Stratégie Nationale Bas Carbone

SSP : Service de la Statistique et de la Prospective du ministère chargé de l'agriculture

STEP : station d'épuration (production de boues épandables)

tC : tonne de carbone

TMR : temps moyen de résidence (du carbone dans le sol)

uN : unités d'azote (apportées par la fertilisation)

ZV : zones vulnérables définies par la directive "Nitrate"
Etude INRA "Stocker du carbone dans les sols français.
Quel potentiel au regard de l'objectif 4 pour 1000 et à quel coût ?"

Rapport scientifique

# Chapitre 1
# Introduction

## Contributeurs

Sylvain Pellerin et Laure Bamière

Décembre 2020
# 1.1. Contexte et motivations de l'étude

## Les enjeux

Le rapport spécial du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) de 2018 établit que pour contenir la hausse de la température en deçà de +1,5°C par rapport à la période préindustrielle, il serait nécessaire d'atteindre la neutralité carbone à l'échelle du globe en 2050. Cet objectif ambitieux d'équilibre entre les émissions anthropiques de gaz à effet de serre (GES) et la séquestration de CO₂ par les écosystèmes s'impose désormais comme référence dans la plupart des politiques climatiques nationales, européennes et internationales. L'accord de Paris de 2015 mentionne, dans son article 4, l'objectif d'atteindre la neutralité carbone avant la fin du siècle, pour rester bien en dessous de 2°C par rapport aux niveaux préindustriels. Dans le cadre du projet de loi relatif à l'énergie et au climat de 2019, la France remplace l'objectif de division par quatre des émissions de GES entre 1990 et 2050 (facteur 4) par un objectif de neutralité carbone en 2050, ce qui constitue un défi plus exigeant puisqu'il suppose une division des émissions par un facteur supérieur à six. Parallèlement, la Stratégie Nationale Bas Carbone (SNBC) mise en place en 2015 a fixé trois premiers budgets carbone jusqu'en 2028, constituant des plafonds d'émissions à ne pas dépasser par période de cinq ans.

Atteindre la neutralité carbone suppose à la fois :

- de réduire drastiquement les émissions de CO₂ liées à l'usage des énergies fossiles (charbon, pétrole, gaz), à la déforestation et à la disparition des zones humides, ainsi que les émissions des autres GES (CH₄ et N₂O), d'origine majoritairement agricole ;

- d'accroître simultanément le puits de CO₂ que constitue la biosphère continentale, par des changements d'occupation des sols (afforestation notamment) et le développement de pratiques agricoles et sylvicoles favorisant la séquestration de carbone dans les sols et dans la biomasse ligneuse.

L'analyse des tendances récentes d'évolution des émissions de GES en France, en Europe et dans le monde montre qu'en dépit de l'accord de Paris de 2015, celles-ci ont continué d'augmenter, hormis une légère baisse amorcée en Europe en 2018 (-2,5% par rapport à 2017). Au niveau national, le bilan de la SNBC établi sur la période 2015-2018 révèle que le premier objectif n'a pas été atteint. Tous les leviers mobilisables pour réduire ces émissions doivent être mis en œuvre sans tarder si l'on veut éviter une hausse de la température supérieure à +1,5°C à l'horizon 2050, et toutes les conséquences qu'aurait un tel changement sur les écosystèmes et les conditions de vie de l'humanité. Parallèlement, tout doit être fait pour accroître la séquestration de CO₂ par la biosphère, en favorisant le stockage de C dans des compartiments à temps de résidence long comme les sols ou la biomasse ligneuse. La neutralité carbone ne pourra être raisonnablement atteinte en 2050 que si les deux leviers sont mis en œuvre simultanément.

## L'initiative 4‰

A l'échelle planétaire, le stock de carbone organique des sols représente de l'ordre de 2 400 Gt de C, soit le triple de la quantité de carbone contenue sous forme de CO₂ dans l'atmosphère (860 GtC). Le rapport entre les émissions anthropiques annuelles de C (9,4 GtC) et le stock de C des sols (2 400 GtC) est de l'ordre de 4‰, ce qui suggère qu'une augmentation de 4‰ par an du stock de C des sols permettrait théoriquement de compenser les émissions anthropiques de CO₂ (Minasny et al., 2017). Sur la base de ce calcul, l'initiative "4 pour mille : les sols pour la sécurité alimentaire et le climat" a été portée par la France en 2015 à l'occasion de la COP 21. Elle vise à promouvoir l'augmentation des teneurs en carbone organique dans les sols, au nom des bénéfices attendus en termes d'atténuation du changement climatique, mais aussi de préservation des sols et de sécurité alimentaire du fait des effets positifs du carbone des sols sur leurs propriétés et sur les rendements agricoles, en particulier dans les régions du monde où les sols sont les plus dégradés.

En France, le stock total de carbone organique dans l'horizon 0-30 cm des sols (hors surfaces artificialisées) est de l'ordre de 3,58 Gt de C, équivalent à 13,4 Gt de CO₂e. Une augmentation de 4‰ par an de ce stock compenserait de l'ordre de 12% des émissions françaises de GES (458 MtCO₂e en 2016). En faisant le calcul, très théorique, sur l'horizon 0-100 cm, le pourcentage de compensation atteindrait 19%. Ce calcul montre que dans le
cas d'un pays comme la France, le stockage additionnel de carbone dans les sols ne peut en aucun cas suffire à atteindre la neutralité carbone. Il ne peut être qu'un levier parmi d'autres, au premier rang desquels figure la réduction des émissions. L'ordre de grandeur permis par ce levier est néanmoins significatif, ce qui milite pour un chiffrage plus précis du potentiel associé.

Au niveau national, un premier rapport d'expertise scientifique collective publié par l'INRA (Contribution à la lutte contre l'effet de serre : Stocker du carbone dans les sols agricoles de France ?) avait dès 2002 mis en évidence l'existence d'un potentiel de stockage additionnel de carbone dans les sols agricoles français de l'ordre de 1 à 3 millions de tonnes de C par an, tout en soulignant les fortes incertitudes associées à ces estimations, les limites d'une approche ne considérant pas les autres GES agricoles, et les difficultés de prise en compte de ce levier dans les inventaires et les négociations climatiques internationales. Un deuxième rapport publié par l'INRA en 2013 (Quelle contribution de l'agriculture française à la réduction des émissions de gaz à effet de serre ?) a chiffré le potentiel d'atténuation permis par des modifications des pratiques agricoles, dont certaines visant un stockage additionnel de carbone dans les sols et la biomasse ligneuse représentant un potentiel d'environ 2,3 millions de tonnes de C par an.

## Les controverses scientifiques

L'initiative "4 pour mille" a donné lieu depuis son lancement à une controverse scientifique, parfois assez vive (van Groenigen et al., 2017 ; de Vries, 2017 ; Baveye et al., 2018 ; VandenBygaart, 2017 ; White et al., 2017 ; Poulton et al., 2018 ; Amundson et Biardeau, 2018 ; Schlesinger et Amundson, 2018). Le caractère simpliste du calcul initial a été, à juste titre, souligné. D'autres calculs, basés sur une vision plus globale des stocks et flux de C à l'échelle globale et considérant uniquement l'horizon de surface du sol, ont été proposés depuis. L'augmentation du stock de carbone des sols par adoption de pratiques "plus stockantes" n'est possible que pendant une durée limitée, après quoi un nouvel équilibre est atteint, équilibre qui ne se maintient que si les pratiques stockantes perdurent dans le temps. L'augmentation du stock est réversible si les pratiques stockantes sont abandonnées. Hormis quelques techniques susceptibles d'accroitre les stocks par limitation des pertes de carbone par minéralisation, la plupart des pratiques stockantes supposent un accroissement des entrées de carbone dans les sols ; elles requièrent donc la mobilisation de ressources organiques supplémentaires par rapport à celles déjà restituées aux sols (effluents d'élevage, résidus de culture...), dont la disponibilité est limitée, voire pourrait être réduite à l'avenir dans un contexte de développement de la bioéconomie. Compte tenu de la faible flexibilité des rapports entre éléments (carbone, azote, phosphore) dans la matière organique du sol, il ne peut y avoir de stockage additionnel de carbone sans un stockage concomitant d'azote. Si cet azote provenait d'apports supplémentaires d'engrais de synthèse, il en résulterait des effets négatifs sur les émissions de GES du fait des émissions directes de N₂O associées et des émissions induites de CO₂ liées au coût énergétique de fabrication des engrais (van Groenigen et al., 2017). Le changement climatique lui-même peut limiter le bénéfice attendu du stockage additionnel de carbone dans les sols, par réduction de la biomasse disponible et/ou accélération de la minéralisation sous l'effet de l'augmentation de la température (Meersmans et al. 2016). Enfin, de très nombreuses barrières agronomiques, économiques et sociales sont susceptibles de limiter l'adoption de pratiques agricoles favorisant le stockage de carbone (Amundson and Biardeau, 2018). Le chiffrage du stockage additionnel potentiel à l'échelle du globe avancé par Minasny et al. en 2017 (2-3 GtC par an, ce qui compenserait 20-35% des émissions anthropiques de CO₂) est ainsi jugé optimiste par plusieurs auteurs.

Malgré toutes ces limites et incertitudes, il demeure que l'ordre de grandeur de ce potentiel est significatif au regard des autres flux de GES induits par les activités humaines et mérite donc d'être considéré, parmi d'autres, en tant que levier d'atténuation du changement climatique pour tendre vers la neutralité carbone. A l'occasion de la COP 21 à Paris en 2015, la plupart des Etats ayant proposé une contribution volontaire à la réduction des émissions de GES (INDC, pour Intended Nationally Determined Contribution), devenue engagement suite à la ratification de l'accord, ont mobilisé, parmi d'autres, le levier du stockage additionnel de carbone dans les sols. Dans un contexte difficile d'atteinte des objectifs fixés au niveau international, ré-explorer les possibilités offertes par ce levier reste d'actualité. La controverse qui a suivi le lancement de l'initiative "4 pour mille" a en fait surtout pointé la nécessité de mieux quantifier le potentiel de séquestration permis par ce levier, et de réduire les incertitudes associées.
## 1.2. Objectifs et modalités de mise en œuvre de l'étude

L'étude « 4 pour mille France » dont les résultats sont présentés dans ce rapport a été conduite par l'INRA, à la demande de l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie (ADEME) et du Ministère chargé de l'agriculture et de l'alimentation (MAA). Les objectifs étaient (i) d'identifier des pratiques agricoles et sylvicoles plus « stockantes » que les pratiques actuellement mises en œuvre, (ii) de chiffrer le potentiel de stockage additionnel associé, de le cartographier, de quantifier les autres effets induits liés à l'adoption de ces pratiques stockantes (pertes ou gains de rendement, émissions de N₂O, lessivage de nitrate, utilisation de produits phytosanitaires...), (iii) de chiffrer leur coût de mise en œuvre, d'identifier les freins à l'adoption et de proposer une stratégie coût-efficace de stockage.

### Le périmètre de l'étude

Pour des raisons de faisabilité et d'homogénéité de l'approche mise en œuvre, le périmètre de l'étude a été limité au territoire métropolitain. Un éclairage sur le cas des sols d'outre-mer a été cependant apporté. L'approche globale choisie combine une analyse de la bibliographie, une évaluation du potentiel de stockage additionnel de carbone dans les sols par modélisation à une résolution spatiale fine, un calcul des coûts additionnels liés à l'adoption des pratiques stockantes et un modèle d'optimisation permettant de proposer une stratégie coût-efficace de l'effort de stockage. Les pratiques considérées pour accroitre le stockage de carbone dans les sols ont été choisies au titre du stockage additionnel permis d'après la littérature. Ce stockage additionnel a été quantifié dans les conditions françaises par simulation (voir ci-après) et complété par une analyse du bilan GES complet tenant compte des modifications d'émissions de CO₂, N₂O et CH₄ liées à l'adoption de cette pratique. Conformément au cahier des charges de l'étude, les pratiques étudiées correspondent uniquement à des leviers techniques pouvant être mis en œuvre sans délais importants (modalités de travail du sol, cultures intermédiaires, prairies temporaires, modes d'exploitation des prairies...), sans modification des modes d'occupation du sol (équilibre forêt-agriculture notamment), des systèmes de production agricoles et de leur localisation. Des leviers à plus long terme supposant un effort additionnel de recherche (levier génétique, par exemple) sont cependant évoqués dans l'analyse bibliographique. La quantification du potentiel de stockage additionnel de carbone et d'atténuation des émissions de GES permis par des leviers plus systémiques associés à des transformations plus radicales des systèmes de production agricoles (réassociation agriculture-élevage, changements d'occupation des sols, développement de l'agriculture biologique...) supposerait une autre étude et la mobilisation de modèles différents de ceux utilisés dans le cadre de ce travail.

### Méthode d'estimation du potentiel de stockage : une approche basée sur la modélisation

Le potentiel de stockage quantifié dans le cadre de cette étude est le stockage additionnel lié à l'adoption de nouvelles pratiques, par rapport au stockage (ou déstockage) qui aurait été observé avec les pratiques agricoles actuelles. Pour cela, la « ligne de base », correspondant à l'évolution du stock de C sous l'effet des pratiques actuelles, a été estimée et analysée. Le stockage additionnel de C, lié à l'adoption d'une nouvelle pratique, est calculé par différence entre le stock simulé sous hypothèse d'adoption de la pratique stockante et le stock simulé sous hypothèse de maintien de la pratique actuelle. Les simulations ont été faites sur l'horizon 0-30 cm, à la fois du fait de la capacité limitée d'un des modèles utilisés à simuler l'évolution du stock de C sur toute la profondeur de sol et parce qu'une information sur l'horizon 0-30 cm permettait plus facilement des comparaisons avec la bibliographie tout en étant pertinente d'un point de vue agronomique. Sur les résultats agrégés finaux des calculs de stockage sur toute la profondeur de sol ont cependant été réalisés car c'est ce qui est le plus pertinent en termes d'atténuation du changement climatique. Les simulations ont été réalisées sur 30 années pour tenir compte du temps de réponse du stockage de C aux pratiques mises en œuvre et de la variabilité climatique interannuelle. Les données climatiques utilisées ont été celles de la période 1982-2012. Afin de tenir compte de l'effet du changement climatique sur l'évolution des stocks de carbone, des simulations étaient prévues sous un autre scénario climatique mais celles-ci n'ont pas été réalisées faute de temps. Elles ont été réalisées postérieurement à la rédaction de ce rapport et figurent dans un document annexe. Les résultats relatifs au stockage de C sont exprimés en kg ou tonne de C par hectare et par an pour les valeurs unitaires, et en Mt de C par an pour les valeurs agrégées à l'échelle d'un territoire. Une valeur positive correspond à un stockage additionnel de carbone alors qu'une valeur négative
correspond à un déstockage. A l'inverse les bilans GES complets intégrant les variations des autres postes d'émissions ($N_2O$ et $CH_4$ notamment) en plus du stockage additionnel de C dans le sol sont exprimés en CO$_2$équivalent. Une valeur positive correspond à une émission vers l'atmosphère alors qu'une valeur négative correspond à un retrait de l'atmosphère. Un stockage additionnel de C est donc compté positivement dans tous les calculs relatifs au stock de C du sol, mais négativement dans les calculs finaux de bilan GES.

Pour pouvoir rendre compte des nombreux processus contrôlant l'évolution des stocks de C du sol sous l'effet des pratiques, en interaction avec la variabilité du pédoclimat, l'approche choisie pour la quantification du potentiel de stockage additionnel de carbone a été celle d'une modélisation spatialement explicite à une résolution spatiale fine (de l'ordre de quelques km²). L'intérêt est de tenir compte de l'extrême variabilité des contextes pédoclimatiques et agronomiques français, bien renseignée par les bases de données disponibles sur les sols, les climats, les systèmes de cultures et d'élevage, tout en couvrant une gamme large de modes d'occupation du sol et de types d'agriculture représentatifs d'Europe de l'Ouest, donnant ainsi une certaine généricité aux résultats. Les simulations ont été faites en utilisant les modèles STICS en grandes cultures et PaSim en prairie permanente, intégrant une représentation explicite du cycle du carbone dans le système sol-plante et pouvant rendre compte de l'effet des multiples facteurs pédoclimatiques et des pratiques sur l'évolution des stocks de carbone et d'autres variables d'intérêt (rendement, lixiviation d'azote, émissions de $N_2O$...). Ces deux modèles ont été largement utilisés et évalués en France et dans des contextes agropédoclimatiques similaires, ce qui leur confère une certaine robustesse pour une utilisation à l'échelle nationale. Ils sont bien maitrisés par les équipes en charge de l'étude. Plusieurs bases de données nationales sur les sols, les climats, les pratiques agricoles ont été mobilisées pour renseigner les variables d'entrée des modèles.

Par rapport aux estimations du potentiel de stockage additionnel de carbone dans les sols publiées dans la littérature internationale, généralement obtenues en multipliant un potentiel de stockage unitaire, basé sur quelques données d'essais, par de grandes surfaces, l'approche de modélisation spatialement explicite mise en œuvre dans le cadre de cette étude lui confère une forte originalité. A titre d'exemple, la mise en œuvre de l'approche classique pour évaluer le potentiel de stockage de C lié aux cultures intermédiaires aurait conduit à une valeur d'environ 5,36 Mt de C par an (0,31 t de C par hectare et par an de stockage additionnel, voir chapitre « les cultures intermédiaires, intercalaires » de l'analyse bibliographique, multiplié par 17,3 Mha de grandes cultures), alors que l'approche par modélisation, tenant compte de la réalité des possibilités d'insertion de cultures intermédiaires dans les séquences de culture, de l'existence de cultures intermédiaires déjà présentes dans la ligne de base, et des multiples interactions contrôlant le stockage effectif localement conduit à une estimation beaucoup plus prudente de 2,02 Mt de C par an. Pour quelques pratiques stockantes pour lesquelles on ne disposait pas de modèles susceptibles de simuler stockage additionnel de C (agroforesterie, haies), c'est néanmoins l'approche classique par extrapolation de valeurs moyennes qui a été utilisée.

Pour chaque pratique stockante, ayant donné lieu à des simulations ou à un calcul d'ordre de grandeur, une assiette maximale technique a été déterminée, tenant compte des obstacles techniques à sa mise en œuvre (durée de l'interculture et type de sol pour les cultures intermédiaires, hydromorphie du sol et espèces présentes dans la succession de cultures pour le semis direct, présence d'un élevage ruminant pour l'insertion de prairies temporaires dans les successions de grande culture, taille des parcelles et profondeur du sol pour l'agroforesterie...). Quand c'était nécessaire, ces calculs d'assiette et les modalités de mise en œuvre des pratiques stockantes testées ont tenu compte d'autres objectifs majeurs tels que la réduction de l'usage du glyphosate, en interaction avec le développement du semis direct, ou la préservation de la qualité des sols, en interaction avec la mobilisation de nouvelles ressources organiques épandables.

## Estimation du coût de stockage et optimisation de l'effort pour atteindre l'objectif

Comme pour le stockage additionnel de carbone, l'estimation du coût des pratiques stockantes réalisée dans le cadre du volet économique de l'étude correspond à un « coût additionnel », correspondant aux variations de dépenses et de recettes associées aux modifications induites par la pratique "stockante" par rapport aux pratiques actuelles. Le coût calculé est le coût technique pour l'agriculteur. Ce coût peut représenter une perte (coût positif) ou un gain (coût négatif). Dans quelques cas (mobilisation de nouvelles ressources organiques notamment), ce coût pour l'agriculteur a été complété par des indications relatives au coût pour la collectivité (coût de collecte par exemple). Les calculs ont été faits à l'échelle des anciennes régions administratives en utilisant les données technico-économiques (d'assolement, de prix des produits et des intrants...) disponibles dans des bases de
données existantes (Statistique agricole annuelle, Réseau d'information comptable agricole...) moyennées sur la période 2009-2013 afin de lisser les variations interannuelles. Le choix d'une référence « dynamique », avec évolution tendancielle des assolements, du cheptel, des prix des facteurs de production et des produits, plutôt qu'une référence « statique », aurait nécessité de disposer de projections cohérentes et complètes sur 30 ans en termes de prix, quantités et ressources disponibles, non disponibles actuellement.

Enfin, le modèle d'optimisation mis en œuvre, utilisant les informations issues des simulations agronomiques et les calculs de coûts, permet, pour une cible de stockage donnée, de sélectionner les pratiques à mettre en œuvre, et les régions où le faire, pour atteindre la cible de stockage fixée en minimisant le coût. C'est cette procédure qui détermine les surfaces sur lesquelles une pratique favorable au stockage va effectivement être mise en œuvre. L'outil choisi pour effectuer cette allocation optimale de l'effort de stockage de carbone est le modèle BANCO développé par l'INRA.

## Modalités de mise en œuvre

L'étude a été conduite par la **Délégation à l'expertise scientifique collective, à la prospective et aux études de l'INRA (DEPE, encadré 1)**, sous la responsabilité de deux pilotes scientifiques et d'un coordinateur de projet, entourés d'un collectif d'une trentaine d'experts choisis pour leurs compétences (encadré 2) et leur impartialité (encadré 3) sur le sujet, avec l'appui d'une équipe-projet DEPE.

Un **comité technique**, animé par l'ADEME et composé de représentants du monde agricole, a été constitué pour aider au recueil d'informations techniques et d'avis sur la faisabilité et l'acceptabilité des scénarios envisagés. Un **comité consultatif d'acteurs** a été informé de la mise en place de l'étude à son démarrage et de ses principaux choix méthodologiques, puis des résultats avant leur diffusion, afin de recueillir leurs avis sur les orientations et les principales conclusions de l'étude. Enfin, le **comité de suivi**, constitué de représentants des commanditaires et de l'INRA, s'est assuré du bon déroulement du travail.

## 1.3. Plan du rapport

L'étude et ses résultats sont présentés en trois grandes parties et des annexes :

* Un état des connaissances scientifiques sur le carbone du sol (Chapitre 3), incluant un rappel des principales notions et définitions, l'état des connaissances sur les processus relatifs à la dynamique du carbone du sol et à son rôle dans les agrosystèmes, l'état de l'art en matière de modélisation, l'état actuel des stocks en France et les tendances d'évolution, l'état des connaissances sur l'effet des pratiques agricoles ou sylvicoles susceptibles d'accroitre le stockage de C dans les sols, les méthodes de calcul des coûts des pratiques et les freins, leviers et politiques incitatives pour favoriser leur adoption.

* Un calcul du **potentiel technico-économique de stockage additionnel de carbone dans les sols français** (Chapitre 4), par couplage d'une estimation par modélisation du potentiel agronomique de stockage additionnel de carbone par adoption de pratiques stockantes, d'un calcul de coût de mise en œuvre de ces pratiques et d'un modèle d'optimisation permettant une allocation coût-efficace de l'effort de stockage. Les pratiques stockantes candidates ont été choisies au vu des résultats de l'analyse bibliographique.

* Un chapitre de synthèse et conclusion (Chapitre 5) qui discute, en termes de politiques publiques, les possibilités technico-économiques d'accroissement des stocks de C des sols français.

* Des fiches « action » (en annexes), récapitulatives des résultats agronomiques et économiques relatifs à chacune des pratiques analysées (introduction, présentation générale de la pratique, potentiel de stockage, autres impacts, détail du calcul des coûts, positionnement après optimisation, discussion).

A la fin du document figure le rapport d'une étude complémentaire, intitulée "Effet du changement climatique sur le stockage de carbone dans les sols de grandes cultures", réalisée après la présentation publique des principaux résultats de l'étude « 4 pour mille France ». Ce travail est basé sur des simulations qui combinent l'ensemble des pratiques compatibles entre elles et simulables sous STICS, et testent un scénario de changement climatique.
Références bibliographiques

Amundson, R.; Biardeau, L., 2018. Soil carbon sequestration is an elusive climate mitigation tool. *Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America*, 115 (46): 11652-11656. http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1815901115

Arrouays, D.; Balesdent, J.; Germon, J.C.; Jayet, P.A.; Soussana, J.F.; Stengel, P., 2002. *Contribution à la lutte contre l'effet de serre. Stocker du carbone dans les sols agricoles de France? Expertise Scientifique Collective, Synthèse du rapport.* Paris: INRA, 36 p. http://inra.dam.front.pad.brainsonic.com/ressources/afile/225455-e2ffa-resource-synthese-en-francais.html

Baveye, P.C.; Berthelin, J.; Tessier, D.; Lemaire, G., 2018. The "4 per 1000" initiative: A credibility issue for the soil science community? *Geoderma*, 309: 118-123. http://dx.doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.05.005

de Vries, W., 2018. Soil carbon 4 per mille: a good initiative but let's manage not only the soil but also the expectations. *Geoderma*, 309: 111-112. http://dx.doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.05.023

IPCC; Masson-Delmotte, V.; Zhai, P.; Pörtner, H.O.; Roberts, D.; Skea, J.; Shukla, P.R.; Pirani, A.; Moufouma-Okia, W.; Péan, C.; Pidcock, R.; Connors, S.; Matthews, J.B.R.; Chen, Y.; Zhou, X.; Gomis, M.I.; Lonnoy, E.; Maycock, T.; Tignor, M.; Waterfield, T., 2018. *Global Warming of 1.5° C: An IPCC Special Report on the Impacts of Global Warming of 1.5° C Above Pre-industrial Levels and Related Global Greenhouse Gas Emission Pathways, in the Context of Strengthening the Global Response to the Threat of Climate Change, Sustainable Development, and Efforts to Eradicate Poverty*. Intergovernmental Panel on Climate Change. https://www.ipcc.ch/sr15/

Meersmans, J.; Arrouays, D.; Van Rompaey, A.J.J.; Page, C.; De Baets, S.; Quine, T.A., 2016. Future C loss in mid-latitude mineral soils: climate change exceeds land use mitigation potential in France. *Scientific Reports*, 6. http://dx.doi.org/10.1038/srep35798

Minasny, B.; Malone, B.P.; McBratney, A.B.; Angers, D.A.; Arrouays, D.; Chambers, A.; Chaplot, V.; Chen, Z.S.; Cheng, K.; Das, B.S.; Field, D.J.; Gimona, A.; Hedley, C.B.; Hong, S.Y.; Mandal, B.; Marchant, B.P.; Martin, M.; McConkey, B.G.; Mulder, V.L.; O'Rourke, S.; Riche-
de-Forges, A.C.; Odeh, I.; Padarian, J.; Paustian, K.; Pan, G.X.; Poggio, L.; Savin, I.; Stolbovoy, V.; Stockmann, U.; Sulaeman, Y.; Tsui,
C.C.; Vagen, T.G.; van Wesemael, B.; Winowiecki, L., 2017. Soil carbon 4 per mille. Geoderma, 292: 59-86.
http://dx.doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.01.002

Poulton, P.; Johnston, J.; Macdonald, A.; White, R.; Powlson, D., 2018. Major limitations to achieving "4 per 1000" increases in soil organic carbon stock in temperate regions: Evidence from long-term experiments at Rothamsted Research, United Kingdom. *Global Change Biology*, 24: 2563-2584. http://dx.doi.org/10.1111/gcb.14066

Schlesinger, W.H.; Amundson, R., 2019. Managing for soil carbon sequestration: Let's get realistic. *Global Change Biology*, 25 (2): 386-389. http://dx.doi.org/10.1111/gcb.14478

Soussana, J.-F.; Lutfalla, S.; Ehrhardt, F.; Todd, R.; Lamanna, C.; Havlík, P.; Richards, M.; Wollenberg, E.; Chotte, J.-L.; Torquebiau, E.; Ciais, P.; Smith, P.; Lal, R., 2019. Matching policy and science: rationale for the '4 per 1000 - soils for food security and climate' initiative. *Tillage Research*, 188: 3-15. http://dx.doi.org/10.1016/j.still.2017.12.002

van Groenigen, J.W.; van Kessel, C.; Hungate, B.A.; Oenema, O.; Powlson, D.S.; van Groenigen, K.J., 2017. Sequestering Soil Organic Carbon: A Nitrogen Dilemma. *Environmental Science & Technology*, 51 (9): 4738-4739. http://dx.doi.org/10.1021/acs.est.7b01427

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White, R.E.; Davidson, B.; Lam, S.K.; Chen, D.L., 2018. A critique of the paper 'Soil carbon 4 per mille' by Minasny et al. (2017). *Geoderma*, 309: 115-117. http://dx.doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.05.025
Etude INRA "Stocker du carbone dans les sols français.
Quel potentiel au regard de l'objectif 4 pour 1000 et à quel coût ?"

Rapport scientifique

# Chapitre 2
## Eléments de méthodologie de l'étude

### Contributeurs

Sophie Le Perchec et Olivier Réchauchère

Décembre 2020
## 2.1. Principes et méthodes de travail pour les projets conduits par la DEPE de l'INRA

La présente étude a été réalisée par l'Inra, en adoptant les principes et la méthode établis par sa Délégation à l'expertise collective, à la prospective et aux études (DEPE) pour la conduite des Expertises scientifiques collectives (ESCo).

### L'expertise scientifique en appui aux politiques publiques

L'activité d'ESCo développée depuis 2002 à l'Inra se définit comme une activité d'analyse et d'assemblage de connaissances produites dans des champs très divers du savoir et pertinentes pour éclairer l'action publique. Elle vise à mettre en évidence les acquis scientifiques, les points d'incertitudes, les lacunes et les éventuelles questions faisant l'objet de controverses scientifiques. L'activité institutionnelle d'ESCo est bien formalisée à l'Inra (cf. infra) et dans l'ensemble des organismes de recherche qui la pratiquent, et fait l'objet d'une charte nationale signée en 2011.

La DEPE conduit et coordonne également des études, exercices qui prolongent la démarche d'ESCo en incluant un volet de traitement et d'assemblage de données existantes (analyses statistiques, calculs, simulations à l'aide de modèles existants, méta-analyses...), fondé sur une analyse des connaissances scientifiques publiées.

Les opérations d'ESCo et d'étude sont conduites dans le respect d'une charte Inra de l'Expertise Scientifique Institutionnelle et dans les procédures de travail de la DEPE, qui énoncent des principes dont le respect garantit la robustesse des argumentaires produits : compétence et pluralité des experts, impartialité (qui repose sur l'examen des déclarations d'intérêt des experts par le comité de déontologie de l'Inra), transparence concernant la méthodologie suivie et la traçabilité des actions et moyens mis en œuvre au cours de l'opération. Ces principes et méthodes sont formalisés dans un document synthétique<fnref n="3" />

### Définition et fonctionnement de l'expertise scientifique

Le périmètre et les questions structurant l'exercice sont établis conjointement par l'Inra et les commanditaires en début d'exercice. Le groupe de travail d'une ESCo ou d'une étude s'articule autour de deux entités : un collectif pluridisciplinaire d'experts scientifiques présidé par des pilotes scientifiques, et une équipe projet.

Les experts scientifiques sont des chercheurs et ingénieurs issus de divers organismes publics de recherche, identifiés par l'Inra sur la base de leurs publications (attestant de leurs compétences disciplinaires). Ils extraient de la littérature académique internationale les éléments pertinents pour l'action publique, les complètent par des traitements et des assemblages de données dans le cas des études, et rédigent collectivement un rapport scientifique. Si nécessaire, des experts techniques (également issus d'organismes publics de recherche) sont sollicités pour réaliser les opérations calculatoires incluses dans les études. Les pilotes scientifiques fixent les orientations scientifiques de l'étude, animent la production collective et pluridisciplinaire, vérifient la robustesse et la cohérence scientifique des résultats produits par les experts.

L'équipe projet est responsable de la coordination générale du projet dans le respect des méthodes et procédures établies par la DEPE. Au sein de cette équipe, des chargés d'études recrutés spécialement pour le projet développent, sous la responsabilité des experts, des tâches spécifiques : méta-analyse sur une partie du corpus, modélisation, simulations. Les experts scientifiques sont responsables du contenu du rapport et de ses conclusions.

Un Comité de suivi, animé par la DEPE, est mis en place dès le démarrage des travaux. Il assure l'interface entre le groupe de travail et les commanditaires et veille au bon déroulement des travaux. Il est composé des représentants des commanditaires, de l'Inra en tant qu'institut porteur et de ses éventuels partenaires. Le Comité de suivi n'a pas mission à valider le contenu des livrables de l'exercice, mais il est consulté au sujet de la pertinence des livrables vis-à-vis des questions qui ont motivé la commande. Le groupe de travail reste seul juge des suites à donner aux remarques et aux suggestions formulées.

<footnote n="3">³ https://www.inrae.fr/actualites/quels-principes-inrae-conduit-il-expertise-ou-etude-scientifique-collective</footnote>
Un Comité consultatif d'acteurs, animé par la DEPE, est également mis en place dans le but d'informer les parties prenantes des orientations et des conclusions de l'exercice, et de recueillir les préoccupations, intérêts et questionnements des acteurs au sujet de l'opération en cours. Il vise donc à réunir des représentants de tous les acteurs de la société susceptibles d'être concernés par les conclusions de l'exercice et d'en utiliser les résultats : instances des ministères intéressées par l'ESCo ou par l'étude sans en être commanditaires, agences françaises, associations environnementales ou de consommateurs, collectivités locales, organisations professionnelles, acteurs économiques des filières agro-alimentaires, groupements d'intérêt scientifique...

Enfin, dans le cas des études, le travail additionnel nécessaire pour compléter l'analyse de la littérature scientifique peut amener à mobiliser des données non directement accessibles au groupe de travail (ex. : résultats d'expérimentations de terrain non publiés). De plus, l'analyse de telles données nécessite parfois de mobiliser des compétences hors organismes de recherche publique. Pour cela, un Comité technique est mis en place, regroupant des acteurs de terrain le plus souvent issus de structures de recherche-développement, qui vient en appui aux experts scientifiques pour discuter certains choix effectués au sein du collectif d'experts et interpréter certains résultats issus de données techniques et/ou de terrain.

## 2.2. Caractérisation du collectif d'experts : champs disciplinaires couverts, collaborations scientifiques

### Identification et qualification des experts potentiels

Au cours des mois de mars, avril et début mai 2017, un travail d'identification d'experts potentiels a été mené par les pilotes scientifiques, sur la base de leur connaissance du champ thématique de l'étude. Une première liste de 41 experts potentiels a été établie (cf. Tableau 2-1). Parallèlement, une équation de recherche (cf. figure 2-1) a été construite, avec un double objectif : établir le corpus bibliographique préliminaire de l'étude d'une part (cf. chapitre 3), identifier et qualifier des experts potentiels issus des pays francophones de la zone tempérée d'autre part, sur la base de leurs publications académiques.

<table><caption>Figure 2-1. Equation de recherche principale de l'étude.</caption><tr><td># 7</td><td>2,520</td><td>#5 OR #3<br/>Refined by: COUNTRIES/REGIONS: ( CANADA OR FRANCE OR SWITZERLAND OR BELGIUM )<br/>Indexes=SCI-EXPANDED, SSCI, A&HCI, CPCI-S, CPCI-SSH, BKCI-S, BKCI-SSH, ESCI, CCR-EXPANDED, IC Timespan=1956-2017</td></tr><tr><td># 6</td><td>15,732</td><td>#5 OR #3<br/>Indexes=SCI-EXPANDED, SSCI, A&HCI, CPCI-S, CPCI-SSH, BKCI-S, BKCI-SSH, ESCI, CCR-EXPANDED, IC Timespan=1956-2017</td></tr><tr><td># 5</td><td>5,178</td><td>#4 AND #2<br/>Indexes=SCI-EXPANDED, SSCI, A&HCI, CPCI-S, CPCI-SSH, BKCI-S, BKCI-SSH, ESCI, CCR-EXPANDED, IC Timespan=1956-2017</td></tr><tr><td># 4</td><td>8,934</td><td>TS=(organic NEAR/3 Sequestration) OR TS=(organic NEAR/3 storage) OR TS=(organic NEAR/3 stabili*ation) OR TS =(organic NEAR/3 turnover) OR TS =(organic NEAR/3 turn-over) OR TS =(organic NEAR/3 residence) OR TS =(organic NEAR/3 minerali*ation)<br/>Indexes=SCI-EXPANDED, SSCI, A&HCI, CPCI-S, CPCI-SSH, BKCI-S, BKCI-SSH, ESCI, CCR-EXPANDED, IC Timespan=1956-2017</td></tr><tr><td># 3</td><td>12,475</td><td>#2 AND #1<br/>Indexes=SCI-EXPANDED, SSCI, A&HCI, CPCI-S, CPCI-SSH, BKCI-S, BKCI-SSH, ESCI, CCR-EXPANDED, IC Timespan=1956-2017</td></tr><tr><td># 2</td><td>673,539</td><td>TS=Soil<br/>Indexes=SCI-EXPANDED, SSCI, A&HCI, CPCI-S, CPCI-SSH, BKCI-S, BKCI-SSH, ESCI, CCR-EXPANDED, IC Timespan=1956-2017</td></tr><tr><td># 1</td><td>28,842</td><td>TS=(carbon NEAR/2 Sequestration) OR TS=(carbon NEAR/2 storage) OR TS =(carbon NEAR/2 stabili*ation) OR TS =(carbon NEAR/2 turnover) OR TS =(carbon NEAR/2 turn-over) OR TS =(carbon NEAR/2 "residence time") OR TS =(carbon NEAR/2 minerali*ation)<br/>Indexes=SCI-EXPANDED, SSCI, A&HCI, CPCI-S, CPCI-SSH, BKCI-S, BKCI-SSH, ESCI, CCR-EXPANDED, IC Timespan=1956-2017</td></tr></table>

Cette équation associe la dynamique du carbone (#1) et la dynamique de la matière organique (#4) et la croise avec la thématique du sol (#2) pour finalement obtenir le corpus des articles (15 732) traitant du stockage et de la dynamique du carbone dans le sol (#6). Dans ce corpus, pour les besoins de l'identification et de la sélection des experts, on retient ceux de la zone francophone tempérée (#7), pour obtenir 2 520 articles. Source : Web of Science Core Collection (Indexes=SCI-EXPANDED, SSCI, A&HCI, CPCI-S, CPCI-SSH, BKCI-S, BKCI-SSH, ESCI, CCR-EXPANDED, IC Timespan=1956-2017)
La confrontation de la liste des auteurs des 2 520 publications avec celle des 41 experts pré-identifiés par les pilotes a permis de constituer la liste d'experts potentiels de référence, constituée de 47 noms (tableau 2-1). On a pu vérifier (cf. figure 2-2) que ces experts avaient publié un total de 1 056 articles concernant le carbone ou la matière organique du sol, confirmant ainsi la pertinence de la liste élaborée initialement. Parmi ces 47 chercheurs, certains ont peu ou pas de publications référencées dans le Web of Science du fait de leur thématique de recherche (économie, agronomie...) mais leurs compétences ont été jugées complémentaires au périmètre stricto sensu de l'étude.

<table><caption>**Tableau 2-1.** Experts potentiels. En bleu : les 41 experts issus du travail de réflexion spontanée des pilotes. En vert : les experts ajoutés après confrontation à la liste des auteurs issus de la recherche bibliographique décrite à la figure 2-1</caption><thead><tr><th>Experts potentiels pour l'Etude 4p1000 *</th><th>records</th><th>% of 2 520</th><th>Commentaire</th></tr></thead><tbody><tr><td>*Bamière Laure (pilote)</td><td>1</td><td>0.040</td><td></td></tr><tr><td>*Pellerin Sylvain (pilote)</td><td>4</td><td>0.159</td><td></td></tr><tr><td>Angers D*</td><td>36</td><td>1.429</td><td></td></tr><tr><td>Arrouays D*</td><td>25</td><td>0.992</td><td></td></tr><tr><td>Augusto L*</td><td>12</td><td>0.476</td><td></td></tr><tr><td>Balesdent J*</td><td>27</td><td>1.071</td><td></td></tr><tr><td>Barre P*</td><td>12</td><td>0.476</td><td></td></tr><tr><td>Basile Doelsch I*</td><td>8</td><td>0.317</td><td></td></tr><tr><td>Bellassen V*</td><td>2</td><td>0.079</td><td></td></tr><tr><td>Bernoux M*</td><td>36</td><td>1.429</td><td></td></tr><tr><td>Carpentier A.</td><td>1</td><td>0.040</td><td></td></tr><tr><td>Caurla S*</td><td></td><td></td><td>Economiste (forestier)</td></tr><tr><td>Cecillon L*</td><td>7</td><td>0.278</td><td></td></tr><tr><td>Chabbi A*</td><td>24</td><td>0.952</td><td></td></tr><tr><td>Chakir R*</td><td></td><td></td><td>Economiste</td></tr><tr><td>Chenu C*</td><td>42</td><td>1.667</td><td></td></tr><tr><td>Chevallier T*</td><td>20</td><td>0.794</td><td></td></tr><tr><td>Constantin J*</td><td>1</td><td>0.040</td><td></td></tr><tr><td>De Cara S*</td><td>2</td><td>0.119</td><td></td></tr><tr><td>De Noblet N*</td><td>1</td><td>0.040</td><td></td></tr><tr><td>Delame N*</td><td>1</td><td>0.040</td><td></td></tr><tr><td>Derrien D*</td><td>6</td><td>0.040</td><td></td></tr><tr><td>Dignac MF*</td><td>15</td><td>0.079</td><td></td></tr><tr><td>Duru M*</td><td>2</td><td>0.040</td><td></td></tr><tr><td>Ferchaud F*</td><td>3</td><td>0.040</td><td></td></tr><tr><td>Fontaine S*</td><td>15</td><td>0.040</td><td></td></tr><tr><td>Guenet B*</td><td>13</td><td>0.079</td><td></td></tr><tr><td>Houot S*</td><td>29</td><td>0.079</td><td></td></tr><tr><td>Jayet PA*</td><td>1</td><td>0.040</td><td></td></tr><tr><td>Jonard M*</td><td>4</td><td>0.040</td><td></td></tr><tr><td>Justes E*</td><td>2</td><td>0.040</td><td></td></tr><tr><td>Klumpp K*</td><td>14</td><td>0.040</td><td></td></tr><tr><td>Lecocq F*</td><td></td><td></td><td>Economiste</td></tr><tr><td>Lemercier B*</td><td>2</td><td>0.040</td><td></td></tr><tr><td>Letort E*</td><td></td><td></td><td>Economiste</td></tr><tr><td>Loustau D*</td><td>3</td><td>0.079</td><td></td></tr><tr><td>Martin M*</td><td>4</td><td>0.159</td><td></td></tr><tr><td>Mary B*</td><td>18</td><td>0.040</td><td></td></tr><tr><td>Menasseri S*</td><td>5</td><td>0.040</td><td></td></tr><tr><td>Mignolet C*</td><td></td><td></td><td>Agronomie -SAD</td></tr><tr><td>Morvan T*</td><td>7</td><td>0.119</td><td></td></tr><tr><td>Mosnier C*</td><td></td><td></td><td>Agronomie</td></tr><tr><td>Rumpel C*</td><td>62</td><td>0.040</td><td></td></tr><tr><td>Saint-Andre L*</td><td>2</td><td>0.040</td><td></td></tr><tr><td>Therond O*</td><td></td><td></td><td>Agronomie</td></tr><tr><td>Vaudour E*</td><td>2</td><td>0.198</td><td></td></tr><tr><td>Viaud V*</td><td>10</td><td>0.040</td><td></td></tr><tr><td>Viovy N*</td><td>3</td><td>0.119</td><td></td></tr><tr><td>Walter C*</td><td>11</td><td>0.079</td><td></td></tr></tbody></table>
Nous avons alors élaboré une nouvelle requête englobant de façon très large la thématique du carbone et de la matière organique du sol et en identifiant dans cet ensemble les publications de nos 47 experts potentiels (Figure 2-2). L'objectif était de pouvoir examiner plus en détail les publications de ces 47 experts, et être en mesure d'enrichir le vocabulaire pour la sélection de mots-clés qui ont été utilisés pour la constitution des corpus de travail fournis aux experts (voir la méthode d'élaboration du corpus biblio de l'étude en annexe du ch.3).

<table><tr><td># 4</td><td>1,056</td><td>#3 AND #2</td><td>Indexes=SCI-EXPANDED, SSCI, A&HCI, CPCI-S, CPCI-SSH, BKCI-S, BKCI-SSH, ESCI, CCR-EXPANDED Timespan=1956-2017</td></tr><tr><td># 3</td><td>31,139</td><td>AU=(ANGERS D* OR ARROUAYS D* OR AUGUSTO L* OR BALESDENT J* OR BARRE P* OR BASILE-DOELSCH I* OR BELLASSEN V* OR BERNOUX M* OR CARPENTIER A* OR CAURLA S* OR CECILLON L* OR CHABBI A* OR CHAKIR R* OR CHENU C* OR CHEVALLIER T* OR CONSTANTIN J* OR DE CARA S* OR DE NOBLET-DUCOUDRE N* OR DELAME N* OR DERRIEN D* OR DIGNAC M* OR DURU M* OR FERCHAUD F* OR FONTAINE S* OR GUENET B* OR HOUOT S* OR JAYET PA* OR JONARD M* OR JUSTES E* OR KLUMPP K* OR LECOCQ F* OR LEMERCIER B* OR LETORT E* OR LOUSTAU D* OR MARTIN M* OR MARY B* OR MENASSERI-AUBRY S* OR MIGNOLET C* OR MORVAN T* OR MOSNIER C* OR RUMPEL C* OR SAINT-ANDRE L* OR THEROND O* OR VAUDOUR E* OR VIAUD V* OR VIOVY N* OR WALTER C*)</td><td>Indexes=SCI-EXPANDED, SSCI, A&HCI, CPCI-S, CPCI-SSH, BKCI-S, BKCI-SSH, ESCI, CCR-EXPANDED Timespan=1956-2017</td></tr><tr><td># 2</td><td>17,295</td><td>TS=((soil* AND carbon)) OR TS=((soil* AND " organic matter"))</td><td>Refined by: COUNTRIES/REGIONS: ( CANADA OR FRANCE OR SWITZERLAND OR BELGIUM )<br/>Indexes=SCI-EXPANDED, SSCI, A&HCI, CPCI-S, CPCI-SSH, BKCI-S, BKCI-SSH, ESCI, CCR-EXPANDED Timespan=1956-2017</td></tr><tr><td># 1</td><td>120,327</td><td>TS=((soil* AND carbon)) OR TS=((soil* AND " organic matter"))</td><td>Indexes=SCI-EXPANDED, SSCI, A&HCI, CPCI-S, CPCI-SSH, BKCI-S, BKCI-SSH, ESCI, CCR-EXPANDED Timespan=1956-2017</td></tr></table>

**Figure 2-2.** Qualification des experts potentiels : les 47 experts identifiés ont publié 1 056 articles dans le domaine du carbone organique des sols.

## Sélection finale des experts

La première liste de 47 experts (cf. tableau 2-1) a été affinée par les pilotes en respectant plusieurs critères : s'assurer de couvrir toutes les disciplines de l'étude, sélectionner des experts ayant des capacités de travailler dans ce type d'exercice collectif, par exemple parce qu'ils auraient une expérience préalable sur des travaux d'expertise, enfin tenir compte de considérations plus pratiques comme la disponibilité et l'indisponibilité des experts durant la période de l'étude. Tout ceci a amené à solliciter des experts (au nombre de 6) qui ne figuraient ni dans la liste initiale des 41 noms suggérés par les pilotes, ni dans la liste des 47 experts potentiels, obtenue après confrontation avec les noms issus de la recherche bibliographique. Une liste finale de 30 experts a finalement été établie (cf. Tableau 2-2)

<caption>**Tableau 2-2.** Liste des 30 experts principaux, avec leur nombre de publications dans la thématique de l'étude : (soil* AND carbon) OR (soil* AND « organic matter* »).</caption>

En rouge : les experts ajoutés pour équilibrer les compétences disciplinaires du groupe.

<table><thead><tr><th>Experts de l'étude</th><th>records</th><th>% of 2520</th></tr></thead><tbody><tr><td>Anne-Isabelle Graux</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Bertrand Guenet</td><td>13</td><td>0.079</td></tr><tr><td>Claire Chenu</td><td>42</td><td>1.667</td></tr><tr><td>Claire Mosnier</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Delphine Meziere</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Denis Angers</td><td>36</td><td>1.429</td></tr><tr><td>Elodie Letort</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Eric Ceschia</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Francois Gastal</td><td>5</td><td>0.198</td></tr><tr><td>Isabelle Basile Doelsch</td><td>8</td><td>0.317</td></tr><tr><td>Jean Roger-Estrade</td><td>5</td><td>0.198</td></tr><tr><td>Jerome Balesdent</td><td>27</td><td>1.071</td></tr><tr><td>Joel Daroussin</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Julie Constantin</td><td>1</td><td>0.040</td></tr><tr><td>Katja Klumpp</td><td>14</td><td>0.040</td></tr></tbody></table>

<table><thead><tr><th>suite</th><th></th><th></th></tr></thead><tbody><tr><td>Laure Bambière</td><td>1</td><td>0.040</td></tr><tr><td>Laurent Augusto</td><td>12</td><td>0.476</td></tr><tr><td>Laurent Saint-Andre</td><td>2</td><td>0.040</td></tr><tr><td>Lauric Cecillon</td><td>7</td><td>0.278</td></tr><tr><td>Manuel Martin</td><td>4</td><td>0.159</td></tr><tr><td>Nathalie Delame</td><td>1</td><td>0.040</td></tr><tr><td>Olivier Therond</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Philippe Delacote</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Remi Cardinael</td><td>4</td><td>0.159</td></tr><tr><td>Sabine Houot</td><td>29</td><td>0.079</td></tr><tr><td>Safya Menasseri</td><td>5</td><td>0.040</td></tr><tr><td>Sylvain Pellerin</td><td>4</td><td>0.159</td></tr><tr><td>Thierry Morvan</td><td>7</td><td>0.119</td></tr><tr><td>Valentin Bellassen</td><td>2</td><td>0.079</td></tr><tr><td>Valerie Viaud</td><td>10</td><td>0.040</td></tr></tbody></table>
# Eléments d'analyse de la production scientifique des experts retenus

Cette analyse a été faite sur la base du corpus de toutes les publications scientifiques des 30 experts de l'étude référencées dans le Web of Science, que ces publications relèvent du champ thématique de l'étude stricto sensu ou non. Ce corpus de 1 292 références (1986-2018) a été analysé (outils d'analyse des données: logiciel bibliographique Endnote – plateforme d'analyse textuelle Cortex https://www.cortex.net/projects/cortex-manager/

## Caractérisation des liens de publication entre experts

Les experts de l'étude ont relativement peu publié les uns avec les autres : sur un total de 1 292 publications, on ne dénombre que 40 co-publications, intégrant au maximum 5 experts de l'étude (cf. tableau 2-3). Cela confirme a posteriori que le choix des experts a respecté un principe de diversité. L'analyse qualitative de ces liens de publications révèle néanmoins des pôles d'intérêts assez bien définis (figure 2-3), confirmés par les Wos categories (figure 2-3, tableaux 2-4 et 2-5) :

- un pôle s'organisant autour d'experts spécialistes des questions de sciences du sol plus fondamentales (Chenu, Basile-Doelsch, Balesdent et Guenet) auquel se rattache de façon plus ou moins étroite des spécialistes des milieux les moins anthropisés (Cecillon et Saint-André pour les forêts; Klumpp et de façon moins étroite Graux et Gastal pour les prairies) ou des questions de sciences du sol pour des milieux sous contrainte anthropique (Houot). La position de Ceschia est plus difficile à interpréter.

- un pôle articulé autour d'agronomes des champs cultivés et des pratiques agricoles en général (Pellerin, Constantin, Therond et Roger-Estrade) auquel se rattache un expert des pratiques forestières assez intensives (Augusto).

- un pôle intermédiaire faisant le pont entre les deux précédents où les experts s'intéressent à la fois à des considérations fondamentales des sols, dont des approches spatialisées (Martin et Vlaud) et des considérations plus proches des pratiques, comme la question du mode d'occupation des sols (Angers). Le rattachement de deux experts à ce pôle (Menasseri, Morvan) est plus difficile à interpréter.

- à partir de cette structuration reposant sur les experts du domaine bio-technique, il est intéressant de voir comment se positionnent les économistes: Bellassen proche des experts de sciences du sol, sans doute du fait de son intérêt pour les questions de carbone et d'usages des sols; Delame et Bamière avec les agronomes, du fait de leur intérêt pour les pratiques agricoles.

Cinq experts (soit 1/6 du collectif, Daroussin, Delacote, Letort, Mézière et Mosnier, cf. Tableau 2-4) n'ont aucune co-publication avec au moins un des autres experts, pour des raisons hypothétiques diverses: soit parce qu'ils travaillent sur une thématique qui est assez peu mobilisée dans les études concernant la séquestration de carbone dans le sol (cas de l'érosion, Joël Darroussin), soit parce qu'ils sont plus tournés vers la communauté des chercheurs de leurs disciplines (économistes, Claire Mosnier et Elodie Letort), soit parce qu'ils ont abordé la thématique carbone du sol de façon plus récente (Philippe Delacote et Delphine Mézière). Ils n'apparaissent donc pas sur la figure 2.3 car ils n'ont aucune co-publication avec un expert du collectif.

<table><caption>**Tableau 2-3.** Répartition du nombre de co-publications entre les 30 experts de l'étude. Parmi les 1 292 références, 40 ont au moins deux co-auteurs du collectif des 30 experts (soit 3% du corpus).</caption><thead><tr><th rowspan="2">Nombre de publications des 30 experts de l'étude</th><th colspan="5">Nombre de références en co-publications</th></tr><tr><th>2 co-auteurs</th><th>3 co-auteurs</th><th>4 co-auteurs</th><th>5 co-auteurs</th><th>Total co-publications</th></tr></thead><tbody><tr><td>1 292</td><td>30</td><td>6</td><td>2</td><td>2</td><td>40</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>**Figure 2-3.** Co-publications entre experts et Wos categories
(Les Wos categories correspondent aux thématiques (maximum 7) dans lesquelles chaque journal est classé)</figcaption></figure>

<table><caption>**Tableau 2-4.** Deux principales Wos categories des 5 experts qui n'ont aucune co-publication dans le corpus des 30 experts.
Le nombre indiqué entre parenthèses correspond au nombre d'occurrences de la Wos categories, pour chacun des 5 experts</caption><tr><td>Joël Daroussin</td><td>Soil Science (6)</td><td>Geography, Physical; Geosciences, Multidisciplinary (5)</td></tr><tr><td>Philippe Delacote</td><td>Economics; Energy & Fuels; Environmental Sciences; Environmental Studies (5)</td><td>Ecology; Economics; Environmental Sciences; Environmental Studies (4)</td></tr><tr><td>Elodie Letort</td><td>Agricultural Economics & Policy; Economics (2)</td><td>Agriculture, Dairy & Animal Science; Veterinary Sciences (1)<br>Ecology; Economics; Environmental Sciences; Environmental Studies (1)<br>Economics; Environmental Studies (1)</td></tr><tr><td>Delphine Mézière</td><td>Agronomy (3)</td><td>Agriculture, Multidisciplinary (2)</td></tr><tr><td>Claire Mosnier</td><td>Agriculture, Dairy & Animal Science (3)</td><td>Agriculture, Multidisciplinary (3)</td></tr></table>
<table><caption>**Tableau 2-5.** Deux principales Wos categories du corpus de publications de 25 experts co-publiants.
Le nombre indiqué entre parenthèses correspond au nombre d'occurrences de la Wos categories, pour chacun des 25 experts</caption><thead><tr><td>Expert</td><td>Première Wos catégorie</td><td>Seconde Wos catégorie</td></tr></thead><tbody><tr><td>Anne-Isabelle Graux</td><td>Agriculture, Dairy & Animal Science (4)</td><td>Agronomy; Forestry; Meteorology & Atmospheric Sciences (2)</td></tr><tr><td>Bertrand Guenet</td><td>Soil Science (12)</td><td>Geosciences, Multidisciplinary (9)</td></tr><tr><td>Claire Chenu</td><td>Soil Science (67)</td><td>Ecology; Geosciences, Multidisciplinary (6)<br>Microbiology (6)<br>Multidisciplinary Sciences (6)</td></tr><tr><td>Denis Angers</td><td>Soil Science (146)</td><td>Environmental Sciences (14)</td></tr><tr><td>Eric Ceschia</td><td>Agriculture, Multidisciplinary; Ecology;<br>Environmental Sciences (12)</td><td>Ecology; Geosciences, Multidisciplinary (6)</td></tr><tr><td>Francois Gastal</td><td>Agronomy (20)</td><td>Plant Sciences (17)</td></tr><tr><td>Isabelle Basile Doelsch</td><td>Geochemistry & Geophysics (11)</td><td>Soil Science (6)</td></tr><tr><td>Jean Roger-Estrade</td><td>Soil Science (29)</td><td>Agronomy; Green & Sustainable Science & Technology (8)</td></tr><tr><td>Jerome Balesdent</td><td>Soil Science (34)</td><td>Geochemistry & Geophysics (9)</td></tr><tr><td>Julie Constantin</td><td>Agronomy (7)</td><td>Computer Science, Interdisciplinary Applications; Engineering,<br>Environmental; Environmental Sciences (3)<br>Agronomy; Plant Sciences; Soil Science (3)</td></tr><tr><td>Katja Klumpp</td><td>Biodiversity Conservation; Ecology;<br>Environmental Sciences (8)</td><td>Ecology; Geosciences, Multidisciplinary (4)</td></tr><tr><td>Laure Bamière</td><td>Ecology; Economics; Environmental Sciences;<br>Environmental Studies (2)</td><td></td></tr><tr><td>Laurent Augusto</td><td>Forestry (18)</td><td>Soil Science (6)</td></tr><tr><td>Laurent Saint-Andre</td><td>Forestry (38)</td><td>Plant Sciences (7)</td></tr><tr><td>Lauric Cecillon</td><td>Soil Science (11)</td><td>Agronomy; Plant Sciences; Soil Science (3)</td></tr><tr><td>Manuel Martin</td><td>Soil Science (20)</td><td>Remote Sensing; Soil Science (5)</td></tr><tr><td>Nathalie Delame</td><td>Environmental Sciences (1)</td><td></td></tr><tr><td>Olivier Therond</td><td>Agronomy; Green & Sustainable Science &<br>Technology (6)</td><td>Agriculture, Multidisciplinary (5)</td></tr><tr><td>Remi Cardinael</td><td>Agronomy; Plant Sciences; Soil Science (2)</td><td>Soil Science (2)</td></tr><tr><td>Sabine Houot</td><td>Soil Science (26)</td><td>Environmental Sciences (20)</td></tr><tr><td>Safya Menasseri</td><td>Soil Science (11)</td><td>Agronomy; Plant Sciences; Soil Science (2)</td></tr><tr><td>Sylvain Pellerin</td><td>Agronomy; Plant Sciences; Soil Science (19)</td><td>Agronomy (12)</td></tr><tr><td>Thierry Morvan</td><td>Soil Science (8)</td><td>Agronomy (3)</td></tr><tr><td>Valentin Bellassen</td><td>Economics; Environmental Studies (6)</td><td>Ecology (3)</td></tr><tr><td>Valerie Viaud</td><td>Soil Science (9)</td><td>Agriculture, Multidisciplinary; Ecology; Environmental<br>Sciences (2)<br>Ecology (2)<br>Environmental Sciences (2)</td></tr></tbody></table>

Analyse quantitative des 1 292 références bibliographiques du corpus des 30 experts
(Source: Wos 1986-2018)

Le corpus provient à plus de 90% de journaux scientifiques (figure 2-4, tableau 2-6) et est constitué à plus de 80% de « journal article » dont 60 reviews (figure 2-5, tableau 2-6). La répartition temporelle suit une dynamique d'augmentation assez classique (figure 2-6).
<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Figure 2-4. Supports de publication du corpus bibliographique des 30 experts</figcaption></figure>

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Figure 2-5. Types de publications du corpus bibliographique des 30 experts</figcaption></figure>

<table><caption>Tableau 2-6. Répartition des types de publications par support (J, B ou S)</caption><thead><tr><td>Type de publication</td><td>Journal (J)</td><td>Ouvrage (B)</td><td>Ouvrage en série (S)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Article</td><td>1 032</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Review</td><td>60</td><td>1</td><td>1</td></tr><tr><td>Proceedings paper</td><td>52</td><td>46</td><td>22</td></tr><tr><td>Editorial material</td><td>13</td><td>1</td><td></td></tr><tr><td>Chapter</td><td></td><td>18</td><td>6</td></tr><tr><td>Correction</td><td>12</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Letter</td><td>8</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Meeting abstract</td><td>13</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Note</td><td>7</td><td></td><td></td></tr><tr><td>TOTAL</td><td>1 197</td><td>66</td><td>29</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Figure 2-6. Répartition des éléments du corpus par date de publication</figcaption></figure>

## Revues et champs disciplinaires couverts

L'analyse des supports de publications (tableau 2-7) et de leur répartition par Wos catégories (tableau 2-8) montre la forte prédominance des supports traitant de sciences du sol suivis par ceux traitant des systèmes et pratiques agricoles, en cohérence avec le champ de l'étude. Pour les experts n'ayant pas de liens de publication avec les autres, on retrouve essentiellement des WoS catégories du domaine des sciences économiques (tableau 2-8).

<table><caption>Tableau 2-7. Supports de publications avec au moins 10 occurrences dans le corpus (pour un total de 311 supports différents)</caption><thead><tr><td>Titre du journal</td><td>Nombre de références</td></tr></thead><tbody><tr><td>Soil Biology &amp; Biochemistry</td><td>68</td></tr><tr><td>Canadian Journal of Soil Science</td><td>55</td></tr><tr><td>Geoderma</td><td>51</td></tr><tr><td>Plant and Soil</td><td>49</td></tr><tr><td>Soil Science Society of America Journal</td><td>48</td></tr><tr><td>Agriculture Ecosystems &amp; Environment</td><td>45</td></tr><tr><td>European Journal of Soil Science</td><td>43</td></tr><tr><td>Soil &amp; Tillage Research</td><td>34</td></tr><tr><td>Forest Ecology and Management</td><td>27</td></tr><tr><td>Global Change Biology</td><td>26</td></tr><tr><td>Biogeosciences</td><td>25</td></tr><tr><td>European Journal of Agronomy</td><td>23</td></tr><tr><td>Agronomy for Sustainable Development</td><td>22</td></tr><tr><td>Fourrages</td><td>21</td></tr></tbody></table>

<table><thead><tr><td>suite</td><td></td></tr></thead><tbody><tr><td>Annals of Forest Science</td><td>20</td></tr><tr><td>Journal of Environmental Quality</td><td>18</td></tr><tr><td>Biogeochemistry</td><td>15</td></tr><tr><td>Organic Geochemistry</td><td>15</td></tr><tr><td>Biology and Fertility of Soils</td><td>14</td></tr><tr><td>Nutrient Cycling in Agroecosystems</td><td>14</td></tr><tr><td>Soil Use and Management</td><td>14</td></tr><tr><td>Agricultural and Forest Meteorology</td><td>13</td></tr><tr><td>Agronomie</td><td>13</td></tr><tr><td>Annals of Botany</td><td>12</td></tr><tr><td>Geoscientific Model Development</td><td>12</td></tr><tr><td>Ecological Economics</td><td>10</td></tr><tr><td>Ecological Modelling</td><td>10</td></tr><tr><td>Science of the Total Environment</td><td>10</td></tr></tbody></table>
<table><caption>**Tableau 2-8.** Répartition des supports de publications par Wos categories : (a) ayant au moins 10 occurrences dans le corpus total de 1 292 références, (b) pour les experts sans liens de co-publication avec les autres</caption><thead><tr><th colspan="2">a. Répartition des supports de publications par Wos categories (ayant au moins 10 occurrences dans le corpus total de 1292 références)</th><th colspan="2">b. Répartition des supports de publications par Wos categories du corpus de 73 références des 5 experts n'ayant aucune co-publication</th></tr><tr><th>Wos category</th><th>Nbre de réfs</th><th>Wos category</th><th>Nbre de réfs</th></tr></thead><tbody><tr><td>Soil Science</td><td>368</td><td>Economics; Forestry</td><td>7</td></tr><tr><td>Forestry</td><td>66</td><td>Ecology; Economics; Environmental Sciences; Environmental Studies</td><td>6</td></tr><tr><td>Agronomy</td><td>61</td><td>Soil Science</td><td>6</td></tr><tr><td>Environmental Sciences</td><td>57</td><td>Agriculture, Multidisciplinary</td><td>5</td></tr><tr><td>Agronomy; Plant Sciences; Soil Science</td><td>51</td><td>Economics; Energy & Fuels; Environmental Sciences; Environmental Studies</td><td>5</td></tr><tr><td>Agriculture, Multidisciplinary; Ecology; Environmental Sciences</td><td>45</td><td>Geography, Physical; Geosciences, Multidisciplinary</td><td>5</td></tr><tr><td>Plant Sciences</td><td>33</td><td>Economics; Environmental Studies</td><td>4</td></tr><tr><td>Geochemistry & Geophysics</td><td>30</td><td>Geosciences, Multidisciplinary; Soil Science; Water Resources</td><td>4</td></tr><tr><td>Biodiversity Conservation; Ecology; Environmental Sciences</td><td>26</td><td>Agriculture, Dairy & Animal Science</td><td>3</td></tr><tr><td>Ecology</td><td>26</td><td>Agronomy</td><td>3</td></tr><tr><td>Multidisciplinary Sciences</td><td>26</td><td>Agricultural Economics & Policy</td><td>2</td></tr><tr><td>Ecology; Geosciences, Multidisciplinary</td><td>25</td><td>Agricultural Economics & Policy; Economics</td><td>2</td></tr><tr><td>Agriculture, Dairy & Animal Science</td><td>23</td><td>Agriculture, Dairy & Animal Science; Veterinary Sciences</td><td>2</td></tr><tr><td>Agriculture, Multidisciplinary</td><td>22</td><td>Agronomy; Computer Science, Interdisciplinary Applications; Geography</td><td>2</td></tr><tr><td>Agronomy; Green & Sustainable Science & Technology</td><td>22</td><td>Environmental Sciences</td><td>2</td></tr><tr><td>Geosciences, Multidisciplinary</td><td>22</td><td>Agricultural Economics & Policy; Economics; Environmental Sciences; Environmental Studies; Statistics & Probability</td><td>1</td></tr><tr><td>Engineering, Environmental; Environmental Sciences</td><td>17</td><td>Agricultural Economics & Policy; Geosciences, Multidisciplinary; Soil Science</td><td>1</td></tr><tr><td>Environmental Sciences; Geosciences, Multidisciplinary</td><td>17</td><td>Agriculture, Multidisciplinary; Ecology; Environmental Sciences</td><td>1</td></tr><tr><td>Agronomy; Plant Sciences</td><td>15</td><td>Agronomy; Geography; Geology; Soil Science</td><td>1</td></tr><tr><td>Agronomy; Forestry; Meteorology & Atmospheric Sciences</td><td>13</td><td>Agronomy; Plant Sciences</td><td>1</td></tr><tr><td>Ecology; Economics; Environmental Sciences; Environmental Studies</td><td>10</td><td>Biodiversity Conservation; Environmental Sciences</td><td>1</td></tr><tr><td>Economics; Environmental Studies</td><td>10</td><td>Ecology</td><td>1</td></tr><tr><td>Environmental Sciences; Geosciences, Multidisciplinary; Meteorology & Atmospheric Sciences</td><td>10</td><td>Economics</td><td>1</td></tr><tr><td></td><td></td><td>Engineering, Civil; Geosciences, Multidisciplinary; Water Resources</td><td>1</td></tr><tr><td></td><td></td><td>Environmental Sciences; Geosciences, Multidisciplinary</td><td>1</td></tr><tr><td></td><td></td><td>Forestry</td><td>1</td></tr><tr><td></td><td></td><td>Geography, Physical; Remote Sensing; Soil Science</td><td>1</td></tr><tr><td></td><td></td><td>Geosciences, Multidisciplinary</td><td>1</td></tr><tr><td></td><td></td><td>Geosciences, Multidisciplinary; Remote Sensing</td><td>1</td></tr><tr><td></td><td></td><td>Remote Sensing; Soil Science</td><td>1</td></tr></tbody></table>
## 2.3. Caractérisation des liens d'intérêt dans le collectif d'experts

La description des liens d'intérêt dans le collectif d'experts a été établie sur la base d'une déclaration faite obligatoirement par chaque expert au début de l'étude et qui est examinée par une commission constituée autour de la déléguée à la déontologie de l'INRA

### Institutions de rattachement des experts de l'étude

Trente experts ont été sollicités pour cette étude (cf. liste tableau 2-2), en incluant les deux pilotes. Les deux tiers de ces experts (20 experts) sont des chercheurs ou ingénieurs de recherche de l'INRA (figure 2-7). C'est en particulier le cas des deux pilotes de l'étude Sylvain Pellerin (INRA EA) pour la partie agronomique et Laure Bamière (INRA SAE2) pour la partie économique. Les 10 experts non-INRA sont rattachés à l'enseignement supérieur agronomique (3), aux Universités (2), à d'autres EPST (2) et au Cirad (2). Un expert est issu de la recherche publique canadienne.

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Figure 2-7. Institutions de rattachement des experts de l'étude</figcaption></figure>

### Un engagement conséquent dans des activités d'expertise

Dans les 5 années précédant le début de l'étude, plus de la moitié des 30 experts (17) ont participé à des travaux d'expertise, pour un total de 40 projets, qui correspondent dans leur quasi-totalité à des activités de type expertise collective ou « étude » au sens DEPE du terme. Cinq de ces travaux sont néanmoins à la frontière entre l'expertise et la recherche finalisée. Les commanditaires de ces travaux (figure 2-8) sont essentiellement l'ADEME, le MAA et le MTES.

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Figure 2-8. Commanditaires des expertises et études auxquelles ont participé les experts</figcaption></figure>
## Peu d'activités de consulting

Sur les 5 dernières années, six experts ont déclaré avoir effectué chacun une activité de consulting (figure 2-9), trois d'entre elles étant déjà closes au début de l'étude. Deux de ces six activités ont donné lieu à une rémunération, les autres étant menées à titre gratuit. La distribution des entités commanditaires ne présente pas de déséquilibre notable.

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>**Figure 2-9.** Activités de consulting déclarées par les experts de l'étude (IAA : industries Agro-alimentaires)</figcaption></figure>

## Faible participation à des colloques ou publications à financement externe

Quatre experts ont déclaré avoir participé à des colloques ou publications à financement externe, pour un total de huit participations (figure 2-10). Elles sont réparties de façon équilibrée : la moitié ont été financées sur des fonds publics ou parapublics (UE, instituts techniques, PNR), l'autre moitié étant à l'initiative d'entreprises privées ou d'interprofessions. Aucune rémunération directe n'a été perçue par les experts.

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>**Figure 2-10.** Participations à des colloques ou publications à financement externe déclarées par les experts de l'étude</figcaption></figure>

## Conclusion

Au vu des déclarations des experts, aucun lien d'intérêt pouvant compromettre l'indépendance des experts n'a été identifié. D'un point de vue collectif, la répartition des liens d'intérêt des experts ne présente pas de déséquilibre susceptible d'affecter l'impartialité du groupe.
Etude INRA "Stocker du carbone dans les sols français.
Quel potentiel au regard de l'objectif 4 pour 1000 et à quel coût ?"

Rapport scientifique

# Chapitre 3
Analyse bibliographique

**Contributeurs :**

Denis Angers, Laurent Augusto, Jérôme Balesdent, Isabelle Basile-Doelsch, Valentin Bellassen, Rémi Cardinael, Lauric Cecillon, Eric Ceschia, Claire Chenu, Julie Constantin, Joël Daroussin, Philippe Delacote, François Gastal, Daniel Gilbert, Anne-Isabelle Graux, Bertrand Guenet, Sabine Houot, Katja Klumpp, Camille Launay, Elodie Letort, Manuel Martin, Bruno Mary, Safya Menasseri, Delphine Mézière, Thierry Morvan, Claire Mosnier, Sylvain Pellerin, Jean Roger-Estrade, Laurent Saint André, Olivier Thérond, Valérie Viaud

Décembre 2020
# Sommaire

<table><tr><td>Introduction</td><td>37</td></tr></table>

<table><tr><td>3.1. Stockage de carbone dans les sols : définitions, concepts mobilisés et conventions</td><td>38</td></tr></table>

<table><tr><td>3.1.1. Stockage de carbone lié à un changement de pratique : de quoi parle-t-on ?</td><td>38</td></tr></table>

<table><tr><td>3.1.2. Définitions et concepts mobilisés dans l'étude du stockage de carbone dans les sols</td><td>40</td></tr></table>

<table><tr><td>3.1.3. Règles utilisées pour la présentation des résultats bibliographiques et de simulation</td><td>44</td></tr></table>

<table><tr><td>Références bibliographiques</td><td>45</td></tr></table>

<table><tr><td>3.2. Les mécanismes à l'origine du stockage/déstockage de carbone dans les sols</td><td>46</td></tr></table>

<table><tr><td>3.2.1. Principaux processus</td><td>47</td></tr></table>

<table><tr><td>3.2.2. Les processus en fonction du temps : représentations dynamiques</td><td>55</td></tr></table>

<table><tr><td>3.2.3. Contrôle des temps de résidence du C dans les sols : facteurs biotiques et abiotiques</td><td>59</td></tr></table>

<table><tr><td>3.2.4. Les processus en regard de deux grands enjeux : changements climatiques et gestion de l'azote dans les systèmes cultivés</td><td>61</td></tr></table>

<table><tr><td>3.2.5. Conclusion</td><td>62</td></tr></table>

<table><tr><td>Références bibliographiques</td><td>62</td></tr></table>

<table><tr><td>3.3. Les modèles d'évolution des stocks de carbone dans les sols</td><td>69</td></tr></table>

<table><tr><td>3.3.1. Représentation de la dynamique du C dans le sol : structure et complexité des modèles</td><td>69</td></tr></table>

<table><tr><td>3.3.2. Représentation des interactions sol - végétation dans la modélisation du C</td><td>74</td></tr></table>

<table><tr><td>3.3.3. Spatialisation des modèles de dynamique du carbone</td><td>76</td></tr></table>

<table><tr><td>3.3.4. Incertitude et sensibilité des modèles</td><td>77</td></tr></table>

<table><tr><td>3.3.5. Conclusions</td><td>79</td></tr></table>

<table><tr><td>Références bibliographiques</td><td>79</td></tr></table>

<table><tr><td>3.4. Effet de la teneur en C des sols sur le fonctionnement des agroécosystèmes</td><td>85</td></tr></table>

<table><tr><td>3.4.1. Introduction : Effet des matières organiques sur les propriétés des sols et les émissions vers l'environnement : vision d'ensemble</td><td>85</td></tr></table>

<table><tr><td>3.4.2. Effets des MO du sol sur les propriétés, fonctions et services d'intérêt principalement agricole</td><td>87</td></tr></table>

<table><tr><td>3.4.3. Effets des MO du sol sur les propriétés, fonctions et services d'intérêt général</td><td>91</td></tr></table>

<table><tr><td>3.4.4. Conclusion</td><td>92</td></tr></table>

<table><tr><td>Références bibliographiques</td><td>92</td></tr></table>

<table><tr><td>3.5. Stocks de carbone des sols métropolitains et effet des changements d'occupation des sols sur l'évolution de ces stocks</td><td>95</td></tr></table>

<table><tr><td>3.5.1. Répartition géographique des stocks de C des sols</td><td>95</td></tr></table>

<table><tr><td>3.5.2. Valeur des stocks de C des sols sous différents modes d'occupation</td><td>97</td></tr></table>

<table><tr><td>3.5.3. Tendance actuelle d'évolution des stocks de C des sols sous différents modes d'occupation</td><td>99</td></tr></table>

<table><tr><td>3.5.4. Effets des changements d'occupation sur les stocks de C des sols</td><td>104</td></tr></table>

<table><tr><td>3.5.5. Conclusion</td><td>107</td></tr></table>

<table><tr><td>Références bibliographiques</td><td>109</td></tr></table>

<table><tr><td>3.6. Etat des connaissances sur des pratiques réputées « stockantes » en forêt</td><td>116</td></tr></table>

<table><tr><td>3.6.1. Introduction</td><td>116</td></tr></table>

<table><tr><td>3.6.2. Récolte de biomasse</td><td>117</td></tr></table>

<table><tr><td>3.6.3. Gestion du couvert végétal de l'écosystème</td><td>120</td></tr></table>

<table><tr><td>3.6.5. Conclusion : combinaisons de pratiques et panorama des possibles</td><td>125</td></tr></table>

<table><tr><td>Références bibliographiques</td><td>126</td></tr></table>
<table><tr><td>3.13. Les outils incitatifs, les politiques existantes, les leviers et les freins à l'adoption de pratiques stockantes</td><td>237</td></tr><tr><td>3.13.1. Les outils de régulation environnementale</td><td>237</td></tr><tr><td>3.13.2. Les politiques existantes sur le stockage de carbone</td><td>240</td></tr><tr><td>Références bibliographiques</td><td>242</td></tr><tr><td>3.14. Synthèse et conclusion de l'analyse bibliographique</td><td>245</td></tr><tr><td>Focus 3-1. La génétique, un levier d'action pour l'amélioration du stockage de carbone</td><td>249</td></tr><tr><td>Focus 3-2. Stocks et stockage de carbone : le cas des sols des Antilles</td><td>250</td></tr><tr><td>Annexes</td><td>252</td></tr><tr><td>Annexe 3-1. Corpus bibliographique de l'étude : méthode d'élaboration</td><td>253</td></tr></table>

Deux sections de ce chapitre font l'objet d'annexes « externes », explicitant les bases bibliographiques et les données retenues pour effectuer certaines estimations. Ces annexes sont présentées sous forme de fichiers séparés :

Section 3.5.3.2. (stockage tendanciel de carbone dans les sols de prairies permanentes) :
Annexe 3.5.3.2-1. (références et données, fichier excel)

Section 3.8.5. (effet des apports de PRO sur le stockage de carbone dans les sols) :
Annexe 3.8.5-1. (références bibliographiques, fichier pdf)
Annexe 3.8.5-2. (données, fichier excel)
Introduction

Ce chapitre constitue le volet bibliographique de l'étude. Il présente un état des connaissances scientifiques sur les différents domaines d'étude du carbone du sol.

Les quatre premières sections de ce chapitre font le point des connaissances les plus fondamentales sur le carbone organique des sols, incluant un rappel des principales notions et définitions (3.1), l'état des connaissances sur les processus relatifs à la dynamique du carbone du sol (3.2), l'état de l'art en matière de modélisation (3.3), le rôle de la matière organique du sol dans les agrosystèmes (3.4).

La section 3.5 décrit l'état actuel des stocks en France, l'effet des modes d'occupation et des changements d'occupation des sols, et les tendances d'évolution sous l'effet des pratiques actuelles.

Les sections 3.6 à 3.9 présentent l'état des connaissances sur l'effet des pratiques susceptibles d'accroitre le stockage de C dans les sols : en gestion sylvicole (3.6), en systèmes prairiaux (3.7), en systèmes de grande cultures (3.8), en agroforesterie (3.9).

La section 3.10 dresse une synthèse des liens entre les effets des différentes pratiques et les processus relatifs à la dynamique du carbone du sol, abordés dans la section 3.2. La section 3.11 examine la combinaison des pratiques « stockantes » à l'échelle du système de culture et de l'exploitation agricole.

Enfin, les dimensions socioéconomiques du stockage de carbone dans les sols sont abordées dans les sections 3.12 et 3.13, qui abordent respectivement les méthodes de calcul des coûts des pratiques, et les freins, leviers et politiques incitatives pour favoriser leur adoption.

La section 3.14 fait la synthèse de l'ensemble des sections 3.1 à 3.13 et récapitule les informations issues de la bibliographie qui ont déterminé les choix méthodologiques essentiels pour l'évaluation du potentiel technico-économique de stockage additionnel de carbone dans les sols métropolitains, qui fait l'objet du chapitre 4.

En fin de chapitre (Focus 3-1 et 3-2) figurent deux contributions plus ponctuelles car ne faisant pas partie du périmètre de l'étude : l'une consacrée aux possibilités d'accroissement des stocks de carbone par le levier génétique, en complément des leviers agronomiques explorés dans ce rapport ; l'autre dédiée aux sols des Antilles afin d'apporter un éclairage sur les sols des territoires ultra-marins.

La méthodologie d'élaboration du corpus bibliographique mobilisé pour cette étude est présentée en Annexe 3-1.
# 3.1. Stockage de carbone dans les sols : définitions, concepts mobilisés et conventions

Auteurs : Jérôme Balesdent, Isabelle Basile-Doelsch, Claire Chenu, Denis Angers, Joël Daroussin

Principaux enseignements de cette section :

* L'augmentation de stock de carbone des sols, ou stockage, est une donnée factuelle précise, mais qui nécessite des définitions partagées pour éviter toute confusion.

* Evaluer le stockage additionnel de C lié à une pratique nécessite la comparaison avec une pratique de référence. La valeur du stockage additionnel dépend fortement de la pratique de référence choisie.

* Il est indispensable de préciser la durée sur laquelle le stockage ou le stockage additionnel de C sont quantifiés.

* La présente étude bibliographique veille à respecter des règles de présentation des résultats chiffrés afin d'éviter des interprétations erronées ou ambiguës.

## Introduction

Le sol est un milieu où sont présents de nombreux êtres vivants, (animaux, plantes, micro-organismes). La matière qui constitue ces êtres vivants est principalement composée de carbone. Ce carbone provient directement ou indirectement de la photosynthèse, c'est-à-dire du prélèvement du carbone présent dans l'atmosphère sous forme de dioxyde de carbone et de son incorporation (séquestration) dans la matière vivante des végétaux, puis des animaux qui s'en nourrissent. Le carbone organique du sol comprend ainsi le carbone des êtres vivants qui s'y trouvent et de leurs résidus morts qui s'y décomposent. Si l'on considère le sol comme un réservoir de carbone organique, on va pouvoir appliquer à ce carbone tous les concepts liés à la notion de flux : stock de carbone, bilan des entrées et sorties de carbone du réservoir sol, qui détermine la dynamique de ce stock dans le temps, c'est-à-dire un stockage ou un déstockage, un temps de résidence, un stock à l'équilibre, etc. Le sol étant un réservoir assez complexe, et le carbone organique qu'il contient présentant une infinité de formes, la compréhension des phénomènes de stockage de carbone dans le sol nécessite d'explicit er un ensemble de définitions et de mécanismes sous-jacents, et de s'accorder sur un certain nombre de conventions.

La première section de ce chapitre précise les notions de stock et de stockage appliquées au carbone organique du sol. Cette première section peut faire appel à des notions qui sont définies et regroupées dans la deuxième section, pour plus de cohérence et de lisibilité. Enfin la troisième section donne les recommandations de conventions à utiliser pour présenter les résultats de l'étude.

### 3.1.1. Stockage de carbone lié à un changement de pratique : de quoi parle-t-on ?

La prévision du stockage*<fnref n="1" /> de carbone organique associé à une pratique présente plusieurs difficultés et des risques d'ambiguïtés liés à la comptabilisation du carbone du sol. Les biais possibles sont décrits et discutés de façon récurrente dans la littérature (par exemple Powlson et al., 2011), et prêtent cependant encore à polémique (par exemple White et al., 2018; Minasny et al., 2018). Certains biais relèvent de l'observation, d'autres du mode de projection de l'observation pour la prévision.

#### Concernant la comparaison des stocks de carbone observés

Une source triviale de confusion vient de la différence entre un stockage réel, du fait d'une augmentation de la quantité de carbone présente dans le sol, et un changement de stock dans une couche donnée (par exemple 0-30 cm) du fait de modifications de densité apparente (compaction ou décompaction) ou de déplacement vertical

<footnote n="1">¹ Les termes accompagnés d'un astérisque sont définis dans la section 1.2</footnote>
du carbone (Balesdent et al., 2000) (Figure 3.1-1). Ce biais a historiquement entaché l'estimation du potentiel de stockage lié à la réduction du travail du sol, ou aux changements d'utilisation des terres, par surestimation ou sous-estimation (Powlson et al., 2014). Passer un rouleau compresseur sur le sol augmentera très significativement le stock de carbone des 30 premiers cm, mais ne stockera pas de carbone.

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>**Figure 3.1-1.** Effet de variations de densité apparente du sol sur la valeur des stocks de carbone. Stocks de carbone de sols limoneux français sous trois pratiques de gestion, présentés (a) en fonction de la profondeur et (b) en fonction de la masse de terre cumulée vers le bas (extrait de Balesdent et al., 2000).</figcaption></figure>

Par ailleurs, une partie des horizons* organiques de surface est souvent exclue des bilans, alors qu'elle devrait être inclue. Les horizons OF des mulchs, OF ou OH des litières (Baize et Girard, 2009) ont couramment des âges de plusieurs dizaines d'années (Guillet et al., 2010) et peuvent représenter une part importante des stocks de carbone. Les horizons H des tourbes ou de prairies de zones humides, également, sont souvent mal pris en compte.

## Concernant l'évaluation du stockage de carbone lié à une pratique

Une première catégorie d'ambigüité est liée aux niveaux de référence retenus (Figure 3.1-2). Les stocks actuels de carbone ne sont pas à l'équilibre, et ne le seront pas dans le futur. Une conséquence est que le stockage dans le temps consécutif à l'adoption d'une pratique et le stockage additionnel* dû à cette pratique sont deux données différentes. Ainsi, pour une situation où le stock de carbone du sol est en diminution sous l'effet des pratiques passées et actuelles, il est possible que le stockage additionnel consécutif à l'adoption d'une nouvelle pratique ne parvienne pas à compenser complètement la diminution tendancielle du stock de carbone du sol : dans ce cas, le stockage additionnel est positif, mais le stockage dans le temps reste négatif. Le sol continue de déstocker du carbone, quoique à un rythme plus lent. Pour un objectif de modération du réchauffement climatique, le stockage additionnel associé à une pratique est la donnée la plus pertinente, même si le système ne stocke pas de carbone, car le réchauffement serait supérieur sans cette pratique.

Une seconde catégorie est liée à la représentation des cinétiques de stockage (Figure 3.1-2), notamment au risque d'extrapolation du stockage par une relation linéaire. Le stockage moyen annuel observé (ΔStock/Δt) n'est valide que pour le domaine de durée de l'observation et ne doit pas être appliqué à des durées plus longues, car le stockage maximal possible est limité (représenté à droite de la Figure 3.1-2).

Le stockage additionnel dû à l'adoption d'une pratique dépend du milieu (notamment climat local, teneur en argile et caractéristiques du sol) et d'autres co-variables qu'il convient de prendre en compte dans les projections.

On notera enfin, — c'est récurrent en science — (i) que les études ne montrant pas de différence significative sont plus difficilement publiées que celles qui en montrent une, (ii) qu'il existe des études non objectives n'exposant que des vérités partielles, ce qui complique la méta-analyse (Philibert et al., 2012).
<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>**Figure 3.1-2.** Représentation schématique des cinétiques de stockage associées à l'adoption de pratiques en un lieu donné : les principales sources d'ambiguïté.</figcaption></figure>

1) Concernant l'observation (partie gauche de la figure), la plupart des études comparent les stocks de deux pratiques après *n* années de différenciation à partir d'une situation commune (études synchrones) et mesurent donc un stockage additionnel (différentiel); très peu d'études ont mesuré le stock au temps initial *t*₀ (études diachrones) et donc le stockage réel; d'ailleurs le changement de stock entre *t*₀ et *t*₀ + *n* est autant dépendant de l'histoire antérieure à *t*₀ que de la pratique. 2) L'évolution future des stocks (partie droite de la figure) dépendra en plus de facteurs incertains, par exemple du réchauffement climatique, des dépôts azotés, de la pression partielle de CO₂. Ce stockage ne peut donc être chiffré que dans le cadre d'un scénario de changement climatique, et d'un modèle de réponse, voire d'adaptation, du système à ce changement. 3) Le stockage additionnel futur, lui, est moins sensible aux scénarios climatiques et peut être prévu par projection de l'observation (en rouge). 4) Cependant l'extrapolation linéaire du stockage moyen annuel observé (en rouge plein) n'est valide que pour le domaine de durée de l'observation et ne doit pas être appliqué à des durées longues, car le stockage maximal possible est limité (représenté hors graphique à droite).

## 3.1.2. Définitions et concepts mobilisés dans l'étude du stockage de carbone dans les sols

### Termes relatifs aux quantités et états

#### Carbone organique, matières organiques

Le carbone organique, par définition constituant de molécules où il est lié à l'hydrogène, provient en grande majorité de la matière vivante. Il est l'élément principal des matières organiques. On utilise donc souvent indifféremment les termes "carbone organique" et "matières organiques". Les laboratoires d'analyse expriment arbitrairement la teneur en matières organiques d'un sol en multipliant sa teneur en carbone organique (NF/ISO10694) par le coefficient historique 1,724. Baize (2016) rappelle l'historique de ce coefficient. Alors que la mesure de la teneur en carbone organique est juste, celle des matières organiques est très approximative: les matières organiques des sols contiennent en moyenne 50% de carbone. C'est un chiffre variable : aux extrêmes, la cellulose en contient 45% et des lipides comme les cires végétales, 85%.

#### Rapport C/N des matières organiques

Si la matière organique est principalement constituée de carbone (C), elle comporte également d'autres éléments chimiques, dont l'azote (N). Le rapport entre les masses de C et de N contenues dans un type de matière organique
est une caractéristique importante, qui détermine notamment sa dynamique dans le sol. Ce rapport dépend de la proportion de C et de N dans les molécules qui constituent les matières organiques. Il est très variable : de l'ordre de 100 pour de la paille de céréales, 15 à 30 pour un fumier de bovins, 8 à 10 pour les matières organiques décomposées par les microorganismes et stabilisées dans le sol.

### Carbone inorganique

Le carbone inorganique est présent dans les sols essentiellement sous forme de carbonate de calcium (Calcite, CaCO₃), constituant principal du calcaire, parfois de carbonate de magnésium et de calcium (Dolomite, CaMg(CO₃)₂). Naturellement, il est hérité le plus souvent des roches sédimentaires calcaires ou des coquilles des mollusques comme les escargots. Le carbonate de calcium n'est pas stable dans les sols en dessous de pH 8,3 et tend à se dissoudre et à se décomposer en ions Ca²⁺, HCO₃⁻ et en CO₂. On l'utilise comme amendement dans le chaulage, pour augmenter le pH des sols ou apporter du calcium. Le chaulage, la dissolution ou la précipitation de carbonates peuvent affecter indirectement la dynamique des matières organiques. Ils peuvent localement stocker ou déstocker du carbone (Wohlfahrt et al., 2008), mais participent assez peu au bilan de CO₂ global, car à cette échelle le bilan entre CaCO₃ et CO₂ est d'abord régulé par la libération d'ions calcium à partir de l'altération des roches silicatées (Monger et al., 2015).

### Teneur en carbone du sol (ou concentration en carbone)

La teneur ou concentration en carbone du sol correspond à la proportion massique de l'élément carbone dans le sol sec. On l'exprime en g/kg dans le système international (g C/kg sol), mais parfois aussi en % (g C/100 g sol). Sauf indication contraire, la masse de référence du sol est la masse sèche à 105°C de la terre fine, excluant donc les débris végétaux et les éléments grossiers (graviers et cailloux) de taille supérieure à 2 mm.

### Stock de carbone

Le stock de carbone est la quantité totale de carbone contenue dans une couche de sol donnée, par unité de surface. On l'exprime en kg/m² (kg C/ m²) ou en t/ha (t C/ha). On le calcule généralement en multipliant la concentration massique par la masse de terre fine contenue dans la couche. Cette dernière est le produit de l'épaisseur de la couche, de la proportion massique de terre fine [terre fine / (terre fine + éléments grossiers)] et de la densité apparente du sol. De nombreux inventaires des stocks de C font référence à la couche 0-30 cm, ou 0-100 cm (Hiederer et Köchy, 2011).

### Densité apparente du sol (ou masse volumique sèche)

La densité apparente est la masse de sol sec à 105°C contenue dans un volume donné. Cette donnée est nécessaire pour convertir une teneur en carbone (g C/kg sol) en stock (kg C/ m² ou t C/ha). On l'exprime en g/cm³, t/m³ ou Mg/m³, qui sont synonymes.

### Biomasse

C'est la masse des organismes vivants. Elle est exprimée par unité de surface, soit en masse humide, soit en masse sèche, soit en carbone (t C/ha). On fait référence fréquemment à la biomasse végétale aérienne, à la biomasse végétale souterraine et à la biomasse microbienne du sol.

### Horizon O, litières, mulch

Les horizons O (Référentiel Pédologique, Baize et Girard, 2009) sont les couches de matières organiques placées au-dessus de la surface minérale des sols. Ils sont parfois définis comme ayant une teneur en carbone supérieure à 200 g/kg. C'est une partie non négligeable du carbone organique des sols forestiers (Horizons OF de "fermentation" et OH "humiques" des litières forestières), de sols de prairies ("mat racinaire") ou des sols agricoles conduits en semis direct (la couche est parfois dénommée "mulch") et des tourbes (horizon H "histique").

## Termes relatifs à la cinétique et à la dynamique du carbone dans le sol

### Stockage de carbone

Le stockage est l'augmentation du stock de carbone dans le temps. Le déstockage (ou stockage négatif) est une diminution.

### Stockage additionnel lié à une pratique

Le stockage additionnel lié à la pratique agricole B est la différence entre le stock de carbone dans un sol sous la pratique B et celui de ce même sol sous une pratique de référence à partir d'un état initial commun. Le stockage
additionnel est défini pour deux pratiques, un site donné, et dépend du temps écoulé depuis la différenciation des pratiques.

## Stock à l'équilibre, régime stationnaire

Le stock de carbone du sol est dit à l'équilibre quand le flux entrant (par les apports de carbone) est égal au flux sortant (par minéralisation*, perte sous forme dissoute ou érosion). Le carbone du sol est dit en régime stationnaire si le stock est à l'équilibre et si en plus le flux d'apport est invariant dans le temps.

## Stockage maximal

Un changement de régime d'apport ou de sorties, s'il est pérennisé, va faire évoluer le stock de carbone jusqu'à un équilibre au bout d'un temps théoriquement infini. On définit le stockage maximal associé au changement comme la différence entre le futur stock à l'équilibre et le stock initial. Il est donc défini pour un sol donné, sous un climat donné, et un changement de gestion donné.

## Compartiments cinétiques, carbone stable

Les atomes de carbone du sol ont des temps de turnover* hétérogènes, de quelques heures à plusieurs millénaires. La plupart des modélisations distinguent des compartiments : sous-ensembles discrets, interagissant entre eux, chacun étant homogène et défini par un temps de turnover caractéristique. Il est recommandé de réserver le terme "carbone stable" au compartiment de carbone dont le renouvellement est très faible voire nul à l'échelle du siècle (temps de turnover supérieur à plusieurs siècles); il est dénommé aussi "inert" ou "passive" dans certains modèles.

## Facteur de conversion d'apports organiques en matières organiques du sol

Lorsque les apports de carbone pendant une période donnée sont quantifiés, on peut comparer le stock de carbone du sol final avec apport et sans apport. Certains auteurs calculent le rapport de ce stockage additionnel dans le sol à l'apport de carbone cumulé pendant la période. Ce rapport est une fonction du temps (qui part de 100% au temps zéro et tend vers 0% après un temps infini). Il n'a pas de sens s'il n'est pas accompagné d'une durée; il dépend à la fois du produit apporté et des conditions de milieu. De plus, le facteur de conversion est ambigu car peut comprendre la contribution directe du carbone issu l'apport et une contribution indirecte au stockage additionnel, par exemple dû à stimulation de la production primaire ou de la production de racines.

## Saturation, déficit de saturation

Le terme saturation a été introduit par Hassink (1997) et repris depuis (Stewart et al., 2007). Le concept, controversé, indique que l'augmentation de concentration en carbone du sol ne sera pas proportionnelle à l'augmentation des apports organiques, mais sera également dépendante de la différence entre la concentration présente et une concentration de référence (malencontreusement définie comme la limite de saturation). Cette concentration limite correspondrait à la quantité maximale de carbone associée à la fraction minérale fine du sol (argiles et limons fins) et ainsi protégée de la biodégradation par adsorption et piégeage. La différence entre concentration présente et concentration limite de saturation est dite "déficit de saturation". La concentration limite correspond à des concentrations en carbone plus élevées que celles qu'on rencontre couramment (West et Six, 2007), mais on rencontre des sols dont le stock est supérieur à ladite limite de saturation, ce qui est en apparence contradictoire. Cependant le concept n'est pas validé; il est difficile à manipuler car il s'applique aux concentrations en carbone et non pas aux stocks; le mécanisme évoqué est controversé (Vogel et al., 2014). Enfin, le terme, en raison de sa signification première, est souvent mal interprété. Il est couramment confondu avec le stock à l'équilibre. De nombreux autres processus peuvent conduire à des augmentations de concentration de carbone du sol non proportionnelle à l'augmentation des apports.

## Temps de turnover (ou temps moyen de transit), temps moyen de résidence

Dans les systèmes dynamiques en régime stationnaire, le temps de turnover ou temps moyen de transit est le rapport du stock au flux entrant (Erikson, 1971). On l'exprime en général en années. On peut définir par ailleurs l'âge d'un atome de carbone du sol comme le temps écoulé entre son arrivée dans le sol et l'observation. Dans tout système dynamique en régime stationnaire, le temps de turnover est égal à l'âge moyen des éléments qui quittent le système (par analogie à une population humaine en régime stationnaire sans migration, le temps de turnover est l'espérance de vie à la naissance. Il est différent de l'âge moyen de la population). Le temps moyen de résidence est défini dans le présent document comme le temps moyen de transit. Le terme est ambigu dans la littérature (Sierra et al., 2017) car il a parfois des acceptations différentes: soit temps de turnover, soit âge moyen des matières organiques présentes dans le sol.
# Termes relatifs à des mécanismes responsables de la dynamique du carbone dans le sol

## Décomposeurs

Les décomposeurs sont les organismes à l'origine de la biodégradation des matières organiques: bactéries hétérotrophes, champignons et faune détritivore (ou saprophyte). Ils sont à la fois source de matières organiques par les métabolites qu'ils libèrent, et acteurs de la minéralisation de ces dernières, par leur respiration.

## Minéralisation de la matière organique

La minéralisation désigne les processus de transformation, dans le sol, de différentes molécules organiques en composés minéraux : principalement CO₂, NH₄⁺, H₂O, HPO₄²⁻, SO₄²⁻. La minéralisation résulte de la respiration et de l'excrétion des organismes du sol. C'est le processus de la destruction des matières organiques. Par extension, On peut définir le flux de minéralisation (ou flux de respiration hétérotrophe): quantité de carbone organique converti en CO₂ par unité de temps. C'est le processus majeur de sortie du carbone du sol; les autres postes sont l'érosion et la perte de carbone organique dissout.

## Priming effect

Le priming effect (littéralement "effet d'amorçage") est la stimulation de la minéralisation des matières organiques du sol consécutive à un ajout de carbone, conduisant à un flux de minéralisation supérieur à la somme de la minéralisation du sol sans ajout et de la minéralisation du carbone provenant de l'ajout (priming effect positif). On dénomme priming effect négatif le cas inverse, plus rarement observé, de réduction de la minéralisation.

## Production primaire nette, restitution de carbone au sol

La production primaire nette (PPN, NPP en anglais) est la quantité de matière végétale formée par unité de temps; elle est la différence entre la fixation photosynthétique des végétaux (production primaire brute) et le flux de respiration des mêmes végétaux (respiration autotrophe). On peut l'exprimer en kg C/m²/an. La restitution annuelle ou flux de carbone apporté aux sols par la végétation est généralement égale à la production primaire nette souterraine annuelle, et à la part de la production végétale aérienne non récoltée et restituée au sol dans l'année. La production primaire nette souterraine (un flux annuel) est différente de la biomasse souterraine (une masse à un instant donné). Biomasse et production sont liées entre elles par le temps de turnover du carbone des parties souterraines.

## Récalcitrance chimique

La récalcitrance chimique est la résistance d'un composé à une attaque chimique (hydrolyse, oxydation par exemple). La récalcitrance chimique était parfois évoquée comme expliquant la rémanence ou la persistance des composés organiques dans les sols. Cependant on sait maintenant que la récalcitrance ne contribue pas à la rémanence à long terme (décennies) du carbone du composé, à l'exception des charbons, produits de pyrolyse ou de combustion incomplète.

## Rhizodéposition, exsudation

La rhizodéposition est la libération de matières organiques dans le sol par les racines de plantes vivantes. Il peut s'agir de tissus des racines, de cellules, de macromolécules (mucilages, enzymes) ou de petites molécules. Le terme exsudation, plus restrictif, désigne en général la seule libération de molécules.

## Séquestration

La séquestration de carbone dans le sol est le retrait net de CO₂ de l'atmosphère résultant du transfert de son carbone dans des compartiments à temps de renouvellement lent du carbone organique du sol (Olson et al., 2014). Stockage et séquestration sont deux notions distinctes: par exemple épandre un produit résiduaire dans une parcelle donnée correspondra à un stockage de carbone dans cette parcelle, mais ne correspondra pas à une séquestration, par rapport à un épandage qui aurait eu lieu ailleurs.

## Stabilisation ou protection, déstabilisation

La stabilisation ou protection des matières organiques renvoie aux processus empêchant la biodégradation des composés. La rencontre ou la réaction entre le composé organique (le substrat) et les enzymes responsables de sa dégradation sont empêchées, notamment en raison du piégeage de l'un ou l'autre au sein des minéraux, de l'association avec ces derniers ou avec d'autres composés organiques. C'est le processus majeur expliquant la persistance à long terme des matières organiques dans les sols. Inversement, la déstabilisation rend le composé disponible à nouveau.
### 3.1.3. Règles utilisées pour la présentation des résultats bibliographiques et de simulation

On donne ici les règles suivies pour rapporter le stockage associé à une comparaison de pratiques, qui a été observé dans les études, afin de minimiser les biais, permettre l'harmonisation des études et la projection dans les intégrations spatiales et les projections temporelles.

#### Pratique de référence, stockage additionnel, niveau de base

Le stockage additionnel de carbone organique lié à une pratique, par rapport à une pratique de référence, est rapporté. Le stockage absolu sur une période donnée (stock final - stock initial) est indiqué en complément s'il est connu. La pratique la plus proche du "business as usual" est considérée comme référence; elle est clairement définie. Le stockage additionnel maximal associé au changement de pratique est indiqué s'il est connu.

#### Système considéré : étendue spatiale, profondeur de sol

Le stockage est évalué à l'échelle parcellaire et, selon la pertinence, à l'échelle du système de culture (prenant en compte les rotations).

Le stockage réfère à la couche 0-30 cm, plus, le cas échéant, les horizons organiques. Par convention admise en pédologie, le niveau 0 cm correspond au sommet des horizons minéraux ou organo-minéraux des sols, à l'exception des histosols (tourbes), où le niveau zéro correspond à leur sommet. Des indications sur le stockage dans les horizons au-delà de 30cm sont données en complément.

Dans le cas de changement/comparaisons de pratiques impliquant un changement de densité du sol, le stock est calculé ou mesuré pour le sol le moins dense sur une couche d'épaisseur $Z_{eq30}$, supérieure à 30 cm, correspondant à une masse de terre minérale équivalente à celle du sol le plus dense sur 30 cm). Dans le présent rapport, on précise si une épaisseur équivalente $Z_{eq30}$ a servi à la comparaison. Dans le cas contraire on donne une estimation du stock compris entre 30 cm et $Z_{eq30}$ du sol le moins dense. La prise en compte ou non des horizons OF, OH et H est explicitée.

#### Dimension temporelle

La durée de différentiation observée est indiquée ; les durées inférieures à 5 ans n'ont, sauf exception, pas été prises en compte dans la revue bibliographique. Le modèle choisi (linéaire ou autre) pour chiffrer le stockage moyen annuel en 20 ans est indiqué.

#### Pratiques "quantitatives"

Certaines pratiques ne sont pas binaires mais impliquent une quantité (apports de produits résiduaires organiques ou matières organiques fertilisantes, doses de fertilisation, doses d'irrigation, etc.) et/ou une fréquence. Le stockage observé est explicitement mis en relation avec un terme d'intensité ou de fréquence (quantité moyenne annuelle).

#### Nature du carbone pris en compte, unités

Les stocks sont exprimés en tonnes de carbone organique du sol par hectare (tC/ha). Les stockages négatifs ou positifs en tC/ha, et non pas en tonnes de $CO_2$ ni en tonnes d'équivalent $CO_2$ (t$CO_{2eq}$), sauf lorsque le stockage ou le déstockage sont considérés dans le cadre d'un calcul du bilan des émissions de gaz à effet de serre. L'effet des pratiques sur les autres postes du bilan radiatif (source/puits de $N_2O$ ou de $CH_4$, consommation/évitement d'énergie fossile, albedo) n'est pas pris en compte dans le calcul du stockage mais est en général mentionné comme effet collatéral des pratiques. Les émissions de $N_2O$ et $CH_4$ sont prises en compte dans le calcul du bilan des émissions de gaz à effet de serre.

Sont inclus dans les stocks et donc le stockage, le carbone organique de la fraction < 2mm des horizons organo-minéraux ou minéraux des sols, et le cas échéant, le carbone des horizons OF, OH, les horizons de tourbe ou matériaux tourbeux (horizons dits H ou histiques), les horizons OF des mulchs et les horizons organiques épais des humus forestiers de type mor (Référentiel Pédologique, Baize et Girard, 2009).
## Type de sol et climat, autres variables

Le/les climats moyens des sites étudiés (température et précipitations) sont indiqués. Concernant le type de sol, a minima la/les teneurs en argile ou la/les classes de texture sont rapportés. Les autres variables caractérisant la pratique de référence et pertinentes pour le stockage de carbone, sont indiquées.

## Références bibliographiques

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## 3.2. Les mécanismes à l'origine du stockage/déstockage de carbone dans les sols

Auteurs : Jérôme Balesdent, Isabelle Basile-Doelsch

**Principaux enseignements de cette section :**

La recherche scientifique du 21e siècle a fait évoluer considérablement les connaissances des matières organiques et de leur dynamique, notamment sous la pression du dérèglement global du cycle du carbone.

On retiendra que :

* L'essentiel des matières organiques est composé de petites molécules, provenant du vivant, sans transformation par d'autres réactions chimiques ni polymérisation.

* Les composés d'origine microbienne sont prédominants à long terme.

* La production primaire souterraine contribue plus aux matières organiques du sol que les restitutions aériennes.

* Les composés les plus difficilement biodégradables contribuent peu aux matières organiques à long terme.

* Deux facteurs majeurs déterminent le "rendement" de production de carbone organique du sol à partir des substrats initiaux : le rendement d'utilisation du carbone par les microorganismes et l'association avec les minéraux, en particulier mal cristallisés.

* Les interactions entre plantes et microorganismes et entre communautés microbiennes affectent, voire régulent, les temps de résidence et donc les stocks de carbone.

* Chaque pratique agricole met en jeu plusieurs mécanismes affectant le stockage de carbone, si bien que les quantités stockées dépendent de plusieurs facteurs.

### Introduction

Le carbone organique des sols (Figure 3.2-1) est réparti verticalement avec un fort gradient de concentrations décroissant de la surface vers la profondeur : depuis 400 mg/g dans horizons organiques "O" à la surface du sol, près de 100 mg/g dans le premier cm de l'horizon organo-minéral, et jusqu'à des teneurs en moyenne inférieures à 5 mg/g à 1 m de profondeur. Il a des âges très variés, de quelques jours à plusieurs milliers d'années (Figure 3.2-1).

<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>**Figure 3.2-1.** Un profil de sol de prairie (à gauche). La distribution verticale du carbone organique de ce sol (au centre). Une distribution courante des âges du carbone (à droite, d'après les données de Balesdent et al. (2018)).</figcaption></figure>
Le stock de carbone d'un sol est la somme de ce qui reste de chacun des apports annuels passés. Il dépend donc des flux de carbone entrant, des biotransformations de ce carbone et de ses durées de stabilisation, avant que le carbone ne quitte le sol essentiellement sous forme de CO2, produit de la respiration des décomposeurs. Cette section décrit les processus qui contrôlent la dynamique du C dans les sols, la représentation de ces processus en fonction du temps, et leurs dépendances aux variations des principaux facteurs biotiques et abiotiques.

### 3.2.1. Principaux processus

Les principaux processus qui régulent la dynamique des matières organiques dans les sols sont synthétisés sur la Figure 3.2-2.

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>Figure 3.2-2. Les différents processus qui contrôlent le stockage de carbone dans les sols (PRO : produit résiduaire organique, COD : carbone organique dissout)</figcaption></figure>

#### 3.2.1.1. Entrées de carbone dans le sol : nature et flux

Les matières organiques entrant dans le système sol sont synthétisées par les végétaux supérieurs. Elles arrivent au sol par les racines (racines mortes ou exsudats racinaires) ou sous forme de litières et restitutions des parties aériennes non récoltées. Le flux d'entrée de carbone dans le sol est la production primaire nette de l'écosystème, déduction faite de la production exportée, de la production et de la respiration des herbivores. La production primaire récoltée est transformée et une partie peut être apportée ensuite à d'autres sols : effluents des animaux (fumiers et lisiers) ou effluents et produits résiduaires des activités humaines (boues de stations d'épurations, composts d'origines diverses, etc.).

##### 3.2.1.1.1. Flux des entrées aériennes et souterraines

Les estimateurs des flux de restitution au sol sont fondés sur des équations d'allocation du carbone végétal (relations allométriques) couplées aux modèles de carbone, comme en France dans SIMEOS (Outil de SIMulation de l'Etat Organique du Sol). L'indice de récolte (Harvest Index HI) est la proportion récoltée de la production primaire nette aérienne (les grains pour les céréales), le reste étant restitué au sol, directement ou indirectement. Des valeurs de HI de 45 à 55% sont couramment admises pour les céréales très productives par exemple. L'optimisation génétique et agronomique des rendements a en général augmenté le HI. On peut donc dire que, pour une production donnée, les restitutions au sol augmentent avec la production primaire, mais le rapport restitution/rendement diminue quand le rendement augmente.

Les flux d'apports souterrains sont beaucoup moins bien connus mais sont considérés comme contribuant plus aux matières organiques que les apports aériens (Clemmensen et al., 2013 ; Rasse et al., 2005). Le rapport de la
biomasse souterraine aux parties aériennes (root/shoot) est un indicateur qui est très dépendant des conditions de milieu. Ce rapport est très variable, de 10 à 30%. Il faut y ajouter la rhizodéposition. Ce terme désigne les apports de carbone au sol par les plantes vivantes via les racines. Il peut s'agir du renouvellement racinaire, de libération de cellules ou tissus (épiderme, poils absorbants, cellules de la coiffe), de macromolécules comme les mucilages et les enzymes extracellulaires, ou de petites molécules, dénommées exsudats (Nguyen, 2003). La rhizodéposition est un processus globalement relié à l'acquisition de l'eau et des éléments nutritifs par les plantes (notamment P, N, Fe, Mg). Le transfert de carbone des plantes aux champignons symbiotiques en fait partie. On estime que le flux de rhizodéposition peut être de l'ordre de 0,2 à 0,5 fois la production racinaire nette (Balesdent et al., 2011b ; Jones et al., 2009 ; Nguyen, 2003). Les apports souterrains sont encore largement méconnus, très variables, et constituent un levier certain mais encore peu exploré pour jouer sur le stockage de carbone dans les sols. De façon générale, la proportion souterraine de la production primaire est d'autant plus importante que les conditions édaphiques sont limitantes (eau, azote, phosphore, fer).

A titre d'exemple, pour une céréale produisant 8,5 t MS /ha de grain (MS = Matière sèche), les restitutions au sol (tiges, feuilles) peuvent être de 7,5 t MS/ha (indice de récolte 53%), contenant 450 mg/g de carbone, soit 3,4 t C/ha. S'y ajoutent 1,3 t C/ha de racines (18% de la production aérienne) et 0,4 t C/ha/an de rhizodéposition. Le flux annuel entrant au sol est de l'ordre de 5,1 t C/ha/an. Dans les systèmes en prairies ou cultivées en fourrages, une plus grande proportion des parties aériennes est exportée ou pâturée, et les entrées souterraines forment la majorité des apports au sol.

### 3.2.1.1.2. Nature chimique des apports au sol

Les composés végétaux majoritaires arrivant au sol sont les constituants structuraux des plantes. Au premier rang les celluloses et les hémicelluloses (polymères de sucres neutres), ensuite les lignines (polymères de composés phénoliques), les pectines (polymères contenant des sucres chargés), les protéines (structurales ou enzymes libérées par les racines), les lipides des cires, cuticules, écorces et cortex des racines. Les plantes libèrent aussi des métabolites secondaires. Il peut s'agir de composés polyphénoliques, de tannins et d'une multitude de petites molécules constituant les exsudats racinaires (sucres complexes, acides organiques). Ces derniers ont probablement plus d'impact sur la dynamique du carbone par leurs effets sur la mobilisation des matières organiques ou sur les micro-organismes qu'en tant que source de MO. Les tissus morts arrivant au sol n'ont pas la même composition que les tissus vivants, car la plante récupère de nombreux métabolites et éléments minéraux lors de la sénescence (sucres, composés azotés notamment), laissant principalement les composés structuraux. Ceci différencie les engrais verts des autres apports végétaux.

Les produits microbiens sont globalement composés des mêmes molécules à l'exclusion des celluloses et lignines. Ils sont comparativement enrichis en autres polysaccharides, lipides, protéines, amino-saccharides, acides nucléiques et métabolites très divers. Les matières organiques des sols seront faites de toutes ces molécules végétales ou microbiennes ou de leurs monomères (Kelleher et Simpson, 2006). Les produits résiduaires organiques (PRO) non industriels sont composés de mélanges de molécules végétales ou microbiennes ou de leurs monomères ; les composts et les boues d'épuration sont enrichis en composés microbiens par rapport aux matières végétales.

Aux composés du vivant s'ajoutent les produits de combustion incomplète, comme les charbons végétaux des incendies, brûlages de pailles, écobuages, les suies des retombées régionales ou globales, des produits de pyrolyse de biomasse (terra preta, biochars, charbonnières et aires de faulde), ainsi que les plastiques. Les sols peuvent aussi contenir localement du carbone organique des roches, notamment provenant de schistes carbonifères (black shales, qui donnent aux sols une couleur noire).

### 3.2.1.2. Transformations des matières organiques dans le sol

#### 3.2.1.2.1. Acteurs des biotransformations physiques et chimiques : faune et micro-organismes

Les réactions biochimiques qui se produisent lors de la décomposition des matières organiques, sont réalisées principalement par les micro-organismes (champignons et bactéries), qu'ils soient libres dans le sol ou associés à la faune. On a souvent séparé l'action de la faune du sol, de nature essentiellement mécanique, de l'action prépondérante des microorganismes, de nature biochimique. En réalité les travaux récents montrent l'étroite
complémentarité de tous les organismes vivants au sein du sol pour effectuer les transformations des matières organiques dans les sols.

La macrofaune (vers de terre, termites, fourmis...) agit en fragmentant la litière, en l'incorporant au profil de sol, en mélangeant par bioturbation le sol au sein du profil (Bohlen et al., 2004). Le passage du sol dans le tube digestif de la macrofaune (vers de terre principalement) favorise la mise en contact entre des microbes et des MO. La digestion altère la structure chimique des MO (i) par digestion sélective de composés peptidiques, ce qui modifie leur stabilité (Shan et al., 2010), (ii) par modifications biochimiques dues à une alternance de conditions de pH ou redox extrêmes ou (iii) par un remaniement physique des particules (Brauman, 2000). De nombreux groupes de la faune du sol sont ainsi reconnus sur le court terme comme stimulant l'activité des micro-organismes et la biodégradation des matières organiques du sol (Brown, 1995 ; Vidal et al., 2016).

La micro- et la méso-faune (acariens, collemboles, tardigrades, protozoaires...) constitue principalement un réseau trophique qui régule des microorganismes décomposeurs. Par exemple, les protozoaires et nématodes bactérivores tendent à diminuer la densité de microorganismes (Bonkowski, 2004 ; Trap et al., 2016).

Les microorganismes (champignons et bactéries) représentent la composante vivante du sol la plus diversifiée tant d'un point de vue taxonomique que fonctionnel (Curtis et Sloan, 2005 ; Hättenschwiler et al., 2018 ; Torsvik et Ovreas, 2002). On estime en effet qu'un gramme de sol peut abriter jusqu'à 1 milliard de bactéries représentant 1 million d'espèces (Gans et al., 2005) ; et en moyenne, que 1 000 espèces de champignon représentent des dizaines de mètres de filaments mycéliens (Bardgett et al., 2005 ; Buee et al., 2009). **La biomasse microbienne** est la masse des micro-organismes vivants du sol. Elle s'élève généralement à quelques centaines de grammes de matière sèche par mètre carré de sol mais la majorité des microbes sont en dormance ou à très faible activité (Lennon et Jones, 2011). La rhizosphère (zone du sol à proximité des racines) concentre une grande proportion de l'activité microbienne des sols (Nguyen, 2003). L'inventaire systématique de la biodiversité bactérienne (richesse spécifique) du territoire Français rapporte en moyenne 1 300 genres différents à chaque site de prélèvement ; la variance de la richesse est expliquée par le pH, l'usage des terres entre prairie, forets et terres agricoles, puis la granulométrie (Terrat et al., 2017). La biomasse microbienne est la plus faible dans les sols cultivés (Dequiedt et al., 2011 ; Horrigue et al., 2016).

### 3.2.1.2.2. Les réactions de biotransformations

Les réactions de biotransformations dans les sols sont des réactions chimiques catalysées par des enzymes dues à l'activité des organismes vivants du sol et en particulier de millions d'espèces de microorganismes. Il s'agit de réactions à la fois de dégradation mais aussi de synthèse. Les biotransformations chimiques non catalysées sont très minoritaires.

Les réactions de dégradation des composés organiques (dites réactions cataboliques) sont principalement réalisées par dépolymérisation hydrolytique ou oxydative (Lehmann et Kleber, 2015). Les composés végétaux entrants sont surtout de grosses molécules (Figure 3.2-3). Il s'agit de cellulose, hémicelluloses, lignine, protéines etc, dont l'ensemble forme les substrats. Du fait de leur grande taille, leur dépolymérisation a lieu d'abord hors des cellules microbiennes (Burns et al., 2013), par l'action d'enzymes extracellulaires. L'occurrence des réactions nécessite la co-localisation entre substrats et micro-organismes à l'échelle de l'habitat microbien. La mise en contact substrat/enzyme peut se produire par diffusion et advection des substrats et enzymes, ou par croissance et mobilité des microorganismes. Il faut de plus que les conditions de l'environnement local (oxygénation, pH, teneur en eau, etc.) à l'échelle spatiale micrométrique soient favorables à l'activité des microorganismes (Chenu et Stotsky, 2002 ; Don et al., 2013 ; Pinheiro et al., 2015). Dans le cas particulier des systèmes appauvris ou dépourvu en oxygène (conditions dites anaérobies), l'oxygène ne peut pas jouer son rôle d'accepteur final d'électron qui accompagne l'oxydation des C au cours de la dégradation. La dégradation oxydative peut se produire avec d'autres réactions d'oxydo-réduction, mais avec des vitesses de réactions pouvant être 10 fois plus lentes (Keiluweit et al., 2017 ; Klupfel et al., 2014).

L'action des enzymes extracellulaires se poursuit jusqu'à ce que les produits de réaction de plus petite taille (sucres, composés phénoliques, acides aminés, lipides) puissent être transportés au travers des membranes cellulaires des micro-organismes. Le caractère extracellulaire des réactions a plusieurs conséquences. D'une part la biodégradation a un coût énergétique important pour les organismes, et d'autre part, une partie des composés échappe aux cellules et s'adsorbe sur d'autres composés organiques ou minéraux. Les petites molécules issues de la biodégradation peuvent ainsi s'agréger entre elles par des liaisons faibles (liaisons hydrogène ou interaction
hydrophobe) pour former des **assemblages supra-moléculaires** (Sutton et Sposito, 2005) ou avec des minéraux pour former des complexes organo-minéraux (Kleber *et al.*, 2015 ; Kögel-Knabner *et al.*, 2008).

Les composés organiques de petite masse moléculaire (acides organiques, sucres, acides aminés) peuvent être absorbés dans le milieu intracellulaire des micro-organismes pour y subir de nouvelles biotransformations. La dégradation oxydative peut se poursuivre jusqu'à son stade ultime pour lequel les éléments sont minéralisés (CO₂, NH₄⁺, H₂O, HPO₄²⁻, SO₄²⁻). La **minéralisation** est le fait de la respiration et de l'excration de ces composés inorganiques par les organismes. La minéralisation du carbone est quasi-exclusivement intracellulaire.

L'ensemble de cette chaîne de biodégradation est représenté sur la Figure 3.2-3. D'un point de vue quantitatif, les sols émettent à l'échelle globale 10 fois plus de CO₂ provenant de la respiration autotrophe (racines) et hétérotrophes (microorganismes et faune) que les activités humaines (IPCC, 2013).

A l'inverse de la dégradation oxydative, des réactions de **synthèse de nouvelles molécules organiques** à partir des composés organiques de petite masse moléculaire se produisent dans les cellules des micro-organismes. Ce sont les réactions dites anaboliques. Des ions inorganiques présents dans la solution du sol (nitrate, orthophosphate, ammonium) sont aussi utilisés pour la synthèse des nouvelles molécules. Ces nouvelles molécules sont utilisées comme constituants cellulaires ou comme métabolites excrétés (par ex : acides organiques, polysaccharides, enzymes extracellulaires) et contribuent à alimenter le pool de MO du sol. Le C incorporé par les microorganismes puis réincorporé aux MOS est recyclé de façon répétée. Ainsi, une molécule rapidement consommée par les micro-organismes ne signifie pas nécessairement que ses C seront rapidement minéralisés en CO₂.

<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>**Figure 3.2-3.** Représentation du continuum de biotransformation des MOS (adapté de Lehmann et Kleber (2015).</figcaption></figure>

Les matières organiques entrent à la surface et dans le sol sous différentes formes. Elles sont continuellement dégradées par la communauté de décomposeurs depuis les débris de plantes et d'animaux jusqu'aux plus petites molécules. 600 Da (approximativement 1 nanomètre) représente la taille à partir de laquelle les molécules peuvent être absorbées par les microorganismes. Dans le même temps (partie droite de la figure) l'oxydation croissante des carbones des matières organiques augmente la solubilité des composés dans l'eau ainsi que la possibilité de protection contre une décomposition ultérieure via une plus grande réactivité envers les MO elle mêmes (associations supramoléculaires), envers les surfaces minérales (interactions organo-minérales) et leur incorporation dans les agrégats (agrégation). Les flèches pleines représentent les processus biotiques, les flèches en pointillé représentent des processus abiotiques.
La stabilité chimique ou la résistance aux attaques chimiques des molécules arrivant aux sols ne sont pas corrélées au rendement de formation de matières organiques des sols. Les composés les plus biodégradables ont à long terme des rendements de formation de matières organiques du sol élevés.

D'un point de vue quantitatif, l'efficacité d'utilisation du C par les microorganismes (ou en anglais CUE pour carbon use efficency) permet d'estimer, pour un substrat donné, la quantité de C microbien formé par rapport au C consommé pendant une unité de temps. On estime le flux de production de matière microbienne à 0,3 à 0,4 fois le flux d'apport de matière végétale au sol (Sinsabaugh et al., 2014). Cette efficacité d'utilisation du C varie en fonction (i) des espèces microbiennes et de leur physiologie, (ii) de la disponibilité de la ressource en nutriments (N, P, S, etc.) nécessaires au métabolisme microbien, (iii) des interactions avec la matrice sol et des coûts énergétiques associés, et (iv) des conditions de l'environnement (température, pH, humidité...) (Geyer et al., 2016 ; Lashermes et al., 2016 ; Manzoni et al., 2012 ; Mooshammer et al., 2014). Elle est de plus susceptible d'évoluer en fonction des conditions climatiques et atmosphériques (Allison et al., 2010 ; Schimel, 2013 ; Sistla et al., 2013).

### 3.2.1.2.3. Nature, propriétés et classes de taille des matières organiques des sols

Les MOS sont donc constituées d'un continuum de composés organiques à différentes étapes des réactions de biotransformations décrites ci-dessus, depuis les matières organiques particulaires (MOP) jusqu'aux briques élémentaires du vivant (sucres simples, composés phénoliques, acides aminés, peptides, acides gras, acides organiques, lipides). Les molécules les plus simples peuvent former des assemblages aléatoires via des liaisons faibles, appelés **structures supramoléculaires** (Kelleher et Simpson, 2006 ; Sutton et Sposito, 2005) (Figure 3.2-3).

De nombreux travaux ont montré que les composés d'origine microbienne (polysaccharides, protéines etc.) ont une durée de vie plus longue dans le sol que les composés structuraux des végétaux (celluloses, lignines etc.). In fine, **les microorganismes sont la principale source des composés organiques stabilisés à long terme** (par rapport aux végétaux), (Derrien et al., 2006 ; Kallenbach et al., 2016 ; Miltner et al., 2012). (cf. processus de stabilisation, section 3.2.1.4)

Les réactions de dépolymérisation oxydative aboutissent systématiquement non seulement à une réduction de la taille des molécules, mais aussi à une augmentation de leur solubilité aqueuse et à une augmentation de leur réactivité chimique. Ces propriétés sont clefs pour le comportement des composés dans la solution du sol, en particulier vis à vis de leur capacité à s'adsorber sur les surfaces minérales (Kleber et al., 2015). Certaines fonctions des composés organiques sont aussi dépendantes du pH. On peut citer par exemple le groupement carboxyle, qui est plutôt sous la forme COOH aux pH inférieurs à 4 mais COO⁻ aux pH supérieurs à 7. Il en résulte que la réactivité des matières organiques des sols est fortement dépendante du pH.

Finalement, les proportions moyennes des différents types de MOS et leur gamme de taille sont synthétisées dans la Figure 3.2-4. D'un point de vue opérationnel, l'analyse du C d'un échantillon de terre est réalisée sur la terre « fine », i.e. tamisée à 2 mm. Il s'agit principalement de C issus de biopolymères simples et complexes (~75%), de débris organiques particulaires (incluant les débris carbonisés) (~20%), de micro-organismes (~2%), de microfaune (<1%) et des racines les plus fines (<2%). Ces proportions sont indicatives et varient fortement d'un sol à l'autre et d'un horizon à l'autre (Figure 3.2-1).

### 3.2.1.2.4. Le modèle de décomposition progressive en rupture avec les concepts historiques

Dans le modèle conceptuel de décomposition progressive décrit ci-dessus, les matières organiques du sol se composent d'une gamme de fragments organiques et de produits microbiens de toutes tailles à différents stades de décomposition (Figure 3.2-3). Ce mécanisme est en **rupture avec le modèle historique « d'humification »** proposant la formation des « substances humiques » par condensation progressive en macromolécules. De plus, les différentes classes de composés humiques identifiées autrefois (acides humiques, fulviques, humines) ne correspondent pas à des molécules existant *in situ*, mais à des réarrangements physico-chimiques des molécules élémentaires lors de leur extraction (Sutton et Sposito, 2005). **Ces différents concepts (humification, substances humiques, acides humiques et fulviques, humines)**, mis en défaut par les méthodes modernes de caractérisation des MOS, ne devraient plus être utilisés par la communauté des sciences du sol (Lehmann et Kleber, 2015), ni être transmises dans les enseignements.
Le modèle de préservation sélective de certains composés organiques a aussi été invalidé par des techniques de datation, démontrant que les molécules supposées récalcitrantes ne sont pas spécifiquement préservées dans les MOS (Amelung et al., 2008 ; Bol et al., 2009 ; Dignac et al., 2005 ; Gleixner et al., 2001). En effet, les communautés microbiennes du sol, et implicitement le répertoire enzymatique associé, ont la capacité de dégrader tous les types de substrats et ce dans presque n'importe quel type de sol (Dungait et al., 2012). **Les mécanismes de préservation des MOS ne sont donc pas liés à leur récalcitrance chimique** mais liés à d'autres facteurs biologiques, physico-chimiques et structuraux (Schmidt et al., 2011), en particulier leur capacité à s'associer aux minéraux.

<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>**Figure 3.2-4.** Nature, gamme de taille et proportions indicatives des matières organiques du sol. Adapté de Calvet et al. (2011).</figcaption></figure>
### 3.2.1.3. Transferts des matières organiques

#### 3.2.1.3.1. Transferts au sein du profil

Les matières organiques sont transférées dans le profil de sol sous forme particulaire, colloïdale, ou dissoute.

La pédoturbation désigne le mélange des couches de terre, par processus physique dans certains types de sols (gel, gonflement-retrait des argiles et comblement des fissures), mais surtout par processus biologiques. Lorsque le transport particulaire est lié à une action biologique, on parle de bioturbation. Elle est le fait de la faune du sol (vers de terre, fourmis, termites, campagnols, taupes par exemple) qui enfouissent des résidus végétaux, mélangent la terre de proche en proche, ou ramènent à la surface du matériau plutôt minéral depuis les horizons profonds (Lavelle et al., 2016). Le processus de mélange décroît exponentiellement avec la profondeur, pour devenir négligeable en dessous de 50 cm à l'échelle des décennies. La bioturbation est notoirement plus importante et plus profonde en prairies permanentes ou en agriculture de conservation par rapport aux cultures conventionnelles (Jagercikova et al., 2017).

Les vers de terre sont des acteurs essentiels de la bioturbation. Ils ingèrent à la fois des matières organiques (résidus de végétaux ou autres organismes, équivalents à 10 à 30 mg/g/j de MO sèche) et des minéraux (Curry et Schmidt, 2007) et mélangent plusieurs dizaines de tonnes /ha/an de terre. Les vers de terre enfouissent ces mélanges organo-minéraux dans le sol, les excrètent le long des galeries et, pour certaines espèces, les ramènent en surface sous forme de turricules (Don et al., 2008). Ces bio-structures représentent des « hot spots » de MO enrichis en composés organiques (mucus) qui contribuent à la stabilité des agrégats organo-minéraux (Coq et al., 2007; Shan et al., 2010) et à la stabilisation du C (Martin et al., 1990). Il a été ainsi montré que la présence de vers de terre peut augmenter de 30% le stock de C dans un sol (Zangerle et al., 2011).

L'eau qui circule dans l'espace poral du sol est aussi un vecteur du transport vertical des matières organiques dans le sol. Par définition, on parle de transfert par lessivage pour les particules inférieures à 2 microns et de transfert par lixiviation pour les matières organiques inférieures à 0,45 microns. En deçà de 0,45 microns, les MO sont dites « dissoutes » (MOD). Il peut s'agir de matières organiques libres, adsorbées sur des minéraux, coprécipitées avec des oxy-hydroxides, ou complexées avec des métaux. Le lessivage est un mécanisme pédogénétique qui fait migrer des particules depuis les horizons d'éluviation vers les horizons d'illuviation dans lesquelles elles sont immobilisées (Jagercikova et al., 2017). Les MO dissoutes (MOD) sont en fait préférentiellement des molécules de petite taille (inférieures à 100 kDa, Figure 3.2-4 molécules représentées en bas à gauche) pour lesquelles la diffusion est favorisée. L'eau drainant les horizons supérieurs des sols (horizons organiques et horizons minéraux de surface) peut être riche en MOD alors que l'eau drainant les sols en profondeur est plutôt appauvrie en MOD. Les concentrations en MOD sont aussi souvent corrélées à la texture du sol, les sols sableux montrant souvent des solutions de sol plus riches en MOD que les sols argileux (à climat équivalent). Les variations saisonnières de MOD peuvent aussi être significatives. Les exports de C par flux de COD mesurés varient selon les sites de 0,002 à 0,05 t de C ha⁻² an⁻¹ (Doetterl et al., 2016). A l'échelle globale, ces valeurs représentent un ordre de grandeur de 0,7 Gt an⁻¹.

#### 3.2.1.3.2. Transferts des MO à la surface des sols : érosion

L'érosion est le facteur majeur de dégradation des sols. Elle est principalement liée au ruissellement des eaux à la surface du sol, et par conséquent fortement dépendante du climat, de la topographie et de l'usage des terres. L'érosion éolienne peut aussi être significative, en particulier dans les régions arides. Dans les systèmes naturels non perturbés, la perte de matériau par érosion est approximativement compensée par la pédogenèse (Doetterl et al., 2016). En revanche, l'usage agricole, en supprimant la végétation naturelle et réduisant les taux de matière organique de surface, multiplie les vitesses d'érosion par cent (Montgomery, 2007). Depuis l'expansion agricole, de nombreuses régions du monde ont introduit l'agriculture de conservation pour réduire l'érosion des sols. La grande variabilité spatiale et temporelle de l'érosion des sols est ainsi associée à l'historique de l'utilisation et de la gestion des terres. L'érosion des sols a éliminé une quantité considérable d'horizons de surface (Lal, 2001). A l'échelle globale, la quantité de C des sols exportée par érosion latérale est estimée entre 0,3 et 1 Gt C par an. L'omission de la contribution de l'érosion aux bilans de flux de C entre les sols et l'atmosphère reste encore une source d'erreurs significatives dans l'interprétation des sorties de modèles de dynamique du C des sols (Chappell et al., 2016).
Si le C transféré latéralement par érosion est perdu à l'échelle du pédon, l'intégration des processus à l'échelle des bassins versants (détachement, transport, sédimentation, enfouissement dans les zones en dépression) aboutit cependant à des bilans de C qui font débat entre puits et source de C (Doetterl et al., 2016; Mulder et al., 2015).

### 3.2.1.4. Stabilisation et déstabilisation des matières organiques des sols

#### 3.2.1.4.1. Interactions organominérales

Les interactions organo-minérales tendent maintenant à être reconnues comme le facteur clef de la stabilisation des matières organiques dans les sols. (Lehmann et Kleber, 2015 ; Mathieu et al., 2015 ; Schmidt et al., 2011).

Les minéraux du sol représentent plus de 90% des constituants solides du sol (Figure 3.2.4). Les minéraux les plus petits, principalement contenus dans la classe granulométrique de taille inférieure à 2 microns (les "argiles" des agronomes) protègent les MO le plus efficacement. Cette classe de taille de particules comprend des minéraux de natures très diverses. Ceux qui présentent les plus grandes réactivités de surface sont les plus impliqués dans les interactions organo-minérales. Pour ceux-là, les quantités de MO stabilisées seront d'autant plus grandes que leur surface spécifique est élevée. On peut citer les phyllosilicates (les « argiles » des minéralogistes), les différentes formes d'oxy-hydroxydes métalliques et les alumino-silicates mal cristallisés (Basile-Doelsch et al., 2015 ; Kleber et al., 2015). Quelle que soit la nature des minéraux, les MO qu'ils stabilisent sont majoritairement des petites molécules issues de produits microbiens (Clemmensen et al., 2013 ; Cotrufo et al., 2015 ; Lavallee et al., 2018 ; Miltner et al., 2012).

Ces minéraux et phases mal cristallisées protègent les composés organiques par deux mécanismes (Kleber et al., 2015) :

(1) **L'adsorption à la surface des minéraux** est le processus qui a été le premier mis en évidence. Lorsque l'affinité d'adsorption d'une fonction organique<fnref n="2" /> sur la surface minérale est supérieure à son affinité pour le site enzymatique actif, la réaction enzymatique de dégradation oxydative ne peut pas avoir lieu. L'adsorption sur les surfaces minérales est localisée. Les MO sont adsorbées par patchs mais ne couvrent pas l'intégralité de la surface de la particule (Chenu et Plante, 2006; Ransom et al., 1998; Remusat et al., 2012).

(2) **La co-précipitation est la formation de phases minérales secondaires en présence de MO.** Il s'agit de phases minérales ayant des tailles allant du nanomètre à quelques dizaines de nanomètres (Eusterhues et al., 2008 ; Kleber et al., 2015 ; Levard et al., 2012 ; Mikutta et al., 2006 ; Rasmussen et al., 2018 ; Tamrat et al., 2018 ; Torn et al., 1997). Les phases minérales les plus décrites sont les allophanes, les oxy-hydroxydes de Fe et d'Al et les chélates (ligand organique associé à un cation métallique Fe ou Al). Les phases minérales mal cristallisées peuvent aussi être déstructurées par l'action de ligands organiques sécrétés par les racines. Les composés organiques perdent alors leur protection minérale et peuvent être utilisés par les micro-organismes (Keiluweit et al., 2015).

Une représentation conceptuelle de la stabilisation du carbone par la seule sorption sur les minéraux argileux a fait naître le concept de saturation des phase minérales (Hassink, 1997) dans une logique qui voudrait que les surfaces minérales puissent accueillir une quantité limitée de carbone et que le stockage de carbone des sols soit ainsi borné (voir chapitre 1). Cependant le concept n'apparaît pas suffisamment validé pour être opérationnel (West et Six, 2007), le mécanisme évoqué est lui-même invalidé par certaines observations (Vogel et al., 2014).

#### 3.2.1.4.2. Structure du sol et agrégation

Les processus d'agrégation des particules de sol entre elles ralentissent la minéralisation des MO (Rovira et Greacen, 1957). Par exemple, le temps de résidence du C dans les débris végétaux (MOP) est plus grand s'ils sont inclus dans les agrégats plutôt que libres. De plus, le temps de résidence du C dans les micro-agrégats (< 50 µm) est supérieur à celui dans les macroagrégats (> 50 µm) (Balesdent et al., 2000 ; Besnard et al., 1996 ; Chevallier et al., 2004 ; Golchin et al., 1994 ; Six et al., 2002 ; Six et al., 1998). La différence de structure entre les micro- et les macro-agrégats n'est toutefois peut-être pas le seul facteur à l'origine d'une différence de vitesse de minéralisation des MO car : (i) ces MO peuvent être de différentes natures dans ces deux entités, et (ii) les durées de vie des macro- et micro-agrégats, régulant la durée de piégeage des MO, ne sont pas les mêmes (Plante et al.,

<footnote n="2">² Groupement d'atomes au sein d'une molécule ayant un fonction spécifique (alcool, cétone, etc.)</footnote>
2006). Néanmoins, les agrégats, et surtout les micro-agréags, sont utilisés comme fractions indicatrices du degré de protection physique du carbone. Des modèles conceptuels décrivent la dynamique du C dans les différents agrégats en considérant les cycles de formation-destruction des agrégats, mais leur paramétrisation reste complexe (Stamati et al., 2013).

L'action des décomposeurs sur leurs substrats organiques (cf. paragraphe 3.2.1.2.1) se déroule dans le réseau de pores du sol. Les plus petites bactéries ayant une taille de l'ordre du micron, c'est à une échelle spatiale micrométrique que la structure du sol contrôle la biodégradation (Juarez et al., 2013) et pourrait être en lien avec des communautés microbiennes différentes dans ces habitats. Ainsi, la vitesse de minéralisation de substrats simples dépend en partie de la taille des pores dans lesquels ils sont localisés (Killham et al., 1993 ; Ruamps et al., 2013). La géométrie des associations de particules minérales crée en particulier des microsites (micrométriques à nanométriques) dans lesquelles les MO sont protégées de l'action enzymatique. A l'intérieur d'un microsite, que les composés organiques soient ou non directement liés aux surfaces minérales, la dépolymérisation oxydative (cf. paragraphe 3.2.1.2.2) est fortement ralentie par la limitation de l'accès des enzymes et par la limitation de la diffusion de l'O₂ (Chevallier et al., 2010; Keiluweit et al., 2017; Zimmerman et al., 2004).

De nouveaux modèles incluent une description explicite du réseau de pores en 2 dimensions ou 3 dimensions en se basant sur des images acquises par tomographie (Blair et al., 2007 ; Falconer et al., 2015 ; Monga et al., 2008 ; Monga et al., 2014 ; Pajor et al., 2010 ; Resat et al., 2012 ; Vogel et al., 2015). Ils fonctionnent sur des pas de temps courts, et ont été validés pour des systèmes simplifiés mais ne peuvent pas être utilisés à l'échelle de la parcelle. En revanche, ils devraient permettre de hiérarchiser les variables de contrôle de la dynamique du C afin de définir des descripteurs de la structure de sol autres que ceux actuellement utilisés dans les modèles à l'échelle de la parcelle.

## 3.2.2. Les processus en fonction du temps : représentations dynamiques

### 3.2.2.1. Cinétiques, temps caractéristiques, turnover, équilibre et modélisation mathématique

Le carbone des sols est sujet à un renouvellement permanent. Il est mathématiquement représenté comme un "système dynamique". On peut décrire l'évolution du stock de carbone organique par une équation différentielle générale :

$$dC/dt = I - kxC \quad [Equation 1],$$

où C est le stock de carbone (tC/ha), t le temps (an), l'apport au temps t (tC/ha/an), k la proportion du carbone minéralisée (ou perdue par érosion, etc.) par unité de temps (an⁻¹); dC/dt représente la vitesse de stockage du carbone dans le sol quand dC/dt>0, de déstockage si sa valeur est négative. k n'est pas fixe mais dépendant des conditions, de la quantité et de la nature du carbone. k est dénommé vitesse de minéralisation. kxC est le flux de minéralisation (de respiration).

Le système est à l'équilibre, en moyenne annuelle si $I = kxC$, et le temps de turnover du carbone est alors $C/I = 1/k$. Le stockage (dC/dt >0) résulte de l'augmentation des intrants / ou de la réduction de la vitesse de minéralisation k. L'augmentation du stock de carbone en un an ne peut pas être supérieure à l'. A l'inverse, si dC/dt <0, le stock de C du système diminue.

La valeur moyenne k masque cependant une grande hétérogénéité des temps de résidence du carbone. Les traçages isotopiques et les suivis de respiration du sol ont permis de suivre le devenir d'un apport de composés végétaux au sol sur des pas de temps du jour au millénaire. La majorité est minéralisée et transformée en produits microbiens en moins d'un an ; pour les composés ligno-cellulosiques en quelques années. Les produits de transformation (10 à 20% du carbone apporté) vont être protégés et minéralisés ensuite très lentement, en plusieurs dizaines d'années. La Figure 3.2-5 donne un exemple chiffré du devenir du carbone organique arrivant au sol.

Le stock de carbone des sols est composé de la somme des restes de tous ces apports annuels du passé. On peut calculer plusieurs paramètres cinétiques. Dans l'exemple de la Figure 3.2-5, le taux de minéralisation des matières organiques est de 5/45 par an (11% an⁻¹). La grande majorité du carbone (37,5/45) est faite de carbone à durée de vie longue. L'âge moyen du carbone est de 42 ans. Les paramètres de cinétiques aussi lentes ne sont pas l'expression de lois déterministes (comme celles des cinétiques enzymatiques par exemple), mais plutôt les propriétés statistiques émergentes d'un fonctionnement hypercomplexe. Enfin, les méthodes de datation montrent
qu'il existe en plus des matières organiques d'âge pluri-millénaire (Mathieu et al., 2015), donc héritées d'un passé lointain. On gardera en mémoire qu'un atome de C peut avoir une durée de vie longue dans un sol tout en étant recyclé un grand nombre de fois par les micro-organismes dans différents types de molécules (cf. section 3.2.1.2.2. Biotransformations)

Les temps caractéristiques de la formation des matières organiques sont donc longs (plusieurs décennies), les matières organiques actuelles sont héritées des générations passées.

<figure><img src="image_23.png" /><figcaption>**Figure 3.2-5.** Représentation simplifiée de la cinétique du devenir d'un apport organique végétal au sol, ici de 5tC/ha/an. On compartimente cette cinétique en trois phases de minéralisation : rapide, intermédiaire, lente. Un sol qui reçoit chaque année le même apport contient donc des matières organiques que l'on peut répartir en trois pools correspondants, dont la taille est représentée sur la figure par les surfaces colorées. Les valeurs numériques sont typiques de la couche 0-30 cm de cultures tempérées.</figcaption></figure>

<table><thead><tr><th rowspan="2">pool cinétique</th><th>Part du flux entrant</th><th>Temps moyen de résidence</th><th>Taille du pool</th></tr><tr><th>tC/ha/an</th><th>an</th><th>tC/ha</th></tr></thead><tbody><tr><td>"rapide"</td><td>2,50</td><td>0,2</td><td>0,5</td></tr><tr><td>"intermédiaire"</td><td>1,75</td><td>4</td><td>7,0</td></tr><tr><td>"lent"</td><td>0,75</td><td>50</td><td>37,5</td></tr><tr><td>total</td><td>5,00</td><td>9</td><td>45,0</td></tr><tr><td>carbone ancien</td><td></td><td>5000</td><td>10</td></tr></tbody></table>

Les représentations mathématiques classiques (voir section 3.3.1.2.2 sur les formalismes utilisés dans les modèles) ont donc repris cette compartimentation cinétique du carbone et prévoient ainsi l'évolution des stocks de carbone en fonction du temps. La compartimentation (discrétisation cinétique) a une part de réalité et une part de pragmatisme, car la réalité est plus continue mais la représentation mathématique continue est plus difficile (Bosatta et Agren, 1995). Le stockage est très largement déterminé par les deux paramètres qui régissent le pool lent (décennal) : la proportion qui va alimenter ce pool et son temps moyen de résidence.

### 3.2.2.2. L'ambigüité de la minéralisation, les paradoxes de "l'activité biologique"

En agronomie, les termes de « minéralisation » et « d'activité biologique » sous-entendent implicitement la prise en compte de la vitesse des processus. Mais leur usage est généralement peu rigoureux car leur définition est souvent floue.

**Derrière « minéralisation », il faut comprendre « flux de minéralisation » (kxC).** Il est mesuré *in situ* ou *in vitro*. Il est très proche de la moyenne des apports des années précédentes, modulé par les variations saisonnières. Pour cette raison, le flux de minéralisation est largement découplé de l'évolution des réserves organiques elles-mêmes. On lit parfois qu'un traitement "augmente", "favorise" la minéralisation des matières organiques, qu'un système "minéralise plus" qu'un autre. La différence est en général liée aux différences d'apports au sol, plus qu'aux différences d'efficacité des microorganismes.

**Le terme "activité biologique" est source de confusion.** Trois définitions peuvent être envisagées :

(1) On pourrait le définir comme le flux respiratoire (kxC) finalement équivalent au flux de minéralisation tel que décrit ci-dessus.

(2) Alternativement, on pourrait le définir comme l'efficacité ou la vitesse de la biodégradation (k), à quantités de substrats biodégradables équivalents. Une forte « activité biologique » est souvent considérée comme bénéfique pour la production végétale. Plus les organismes décomposeurs sont actifs et efficaces, plus la matière organique est dégradée. Le C qui n'est pas minéralisé est transformé en produits microbiens qui peuvent être stabilisés et/ou
représenter une réserve de nutriments facilement disponibles (Figure 3.2.3). Toutefois, à apport égal, plus l'activité biologique est élevée, moins il y a de C dans le sol. Retenons donc qu'une « activité biologique » maximale ne doit pas forcément être recherchée : afin d'augmenter les quantités de matières organiques dans un sol, on pourrait préférer ralentir un peu la biotransformation des débris végétaux. Ainsi, pour un flux moyen annuel de libération d'éléments nutritifs N et P équivalent, on pourrait constituer un gros réservoir d'éléments, moins rapidement disponibles mais libérant le même flux, et assurant ainsi une grande résilience à l'agrosystème.

(3) Si, en revanche, le terme "activité biologique" fait référence à l'activité de la faune du sol, elle peut être extrêmement variable en fonction des modes de conduite du sol.

### 3.2.2.3. Les processus dits « non linéaires »

#### 3.2.2.3.1. Processus linéaires, processus non linéaires

Les modèles classiques (Andriulo et al., 1999 ; Hénin, 1945 ; Jenkinson et Rayner, 1977 ; Parton et al., 1987), considèrent que les paramètres du devenir des matières organiques sont indépendants du flux entrant et des quantités de MO. Ceci se traduit par des équations différentielles d'ordre 1 ($dC/dt = -kC$ avec $k$ indépendant de C) et des cinétiques exponentielles. On dit que ces modèles sont linéaires : des apports doubles se traduisent par des augmentations deux fois plus importantes des quantités de MO. Dans les régimes de changement, les compartiments se remplissent ou se vident à leur vitesse caractéristique. Cependant il y a maintenant de nombreuses indications de processus non linéaires dans la dynamique du C des sols (Tableau 3.2-1).

<caption>Tableau 3.2-1. Mécanismes possibles de non-linéarité de la décomposition ou de l'accumulation du carbone.</caption>

Ces mécanismes font que les vitesses de décomposition dépendent des quantités de carbone apportées ou présentes.

Ces processus peuvent être en interaction les uns avec les autres.

<table><thead><tr><th>PRINCPAUX MECANISMES NON LINEAIRES</th></tr></thead><tbody><tr><td>Effet des matières organiques sur les propriétés physiques qui affectent les vitesses de biodégradation :</td></tr><tr><td>- Propriétés hydriques (porosité, mouillabilité, évaporation, mulchs)</td></tr><tr><td>- Température du sol (porosité, conductivité thermique, albedo, mulchs)</td></tr><tr><td>Rapport minéraux/matière organique modulant la stabilisation du carbone</td></tr><tr><td>Protection physique (rôle de "colle" joué par les matières organiques et polysaccharides microbiens) favorisant les associations organo-minérales</td></tr><tr><td>Libération d'acides organiques complexants qui déstabilisent les associations organo-minérales</td></tr><tr><td>Priming effect: stimulation de la biodégradation des matières organiques stabilisées par l'apport énergétique de matière fraîche</td></tr><tr><td>Efficience de l'utilisation du carbone dépendant des éléments nutritifs disponibles pour les microorganismes</td></tr><tr><td>Toxicité des produits de biodégradation pour les microbes (ex: litières antibactériennes, phénols)</td></tr><tr><td>Matières organiques ressources pour la faune qui favorise la stabilisation organo-minérale (vers de terres)</td></tr></tbody></table>

Une implication importante des comportements non linéaires est liée au fait que les matières organiques ne sont pas réparties de façon homogène, et que apports, microorganismes et matières organiques ne sont pas localisés (Vogel et al., 2015). Puisqu'ils dépendent des concentrations locales, les paramètres de processus non linéaires dépendent de l'échelle d'observation, qu'il s'agisse de l'échelle d'agrégats, du profil, de distances aux racines etc. Les dynamiques ne sont pas les mêmes *in situ* et en système homogénéisé *in vitro*. *In vitro* elles dépendent du design expérimental et de la durée. Ceci explique probablement la grande divergence qui existe dans la littérature sur les processus et mécanismes de la dynamique du carbone et, à minima, la dispersion de leur quantification. Si les expérimentations *in vitro* permettent de comprendre les mécanismes, les expérimentations et observations *in situ* à l'échelle du mètre carré ou de la parcelle, et à l'échelle de temps des décennies sont évidemment les plus pertinentes pour la question du stockage de carbone.

Les représentations non linéaires prévoient des évolutions moins déterminées et moins réversibles des stocks organiques que les modèles linéaires. Les processus non linéaires ne sont pas encore incorporés dans les modèles opérationnels de la dynamique du C.
### 3.2.2.3.2. Priming effect : un concept qui a pris une place importante dans la problématique du stockage de carbone

Un effet non linéaire majeur est dénommé **priming effect** (Fontaine et al., 2007 ; Kuzyakov et al., 2000 ; Sallih et Bottner, 1988), littéralement "effet d'amorçage". En bref, l'apport de substrats décomposables complexes (et non pas de molécules simples comme le glucose) apporte aux microorganismes compétents la ressource énergétique qui leur permet de biodégrader les matières organiques stabilisées. Typiquement le temps de résidence des MOS est ainsi plus court dans les parties du sol qui reçoivent beaucoup d'apports, comme en surface, par rapport à la profondeur. Les mécanismes de priming effect sont majeurs pour la dynamique des éléments C, N, P. Théoriquement, le priming effect prévoit donc (i) un stockage de carbone non proportionnel aux apports (ii) un risque de déstabilisation de matières organiques préexistantes par apport de carbone, notamment en profondeur.

### 3.2.2.4. Vitesses de renouvellement à l'échelle du profil de sol

Les travaux historiques sur les représentations dynamiques du C ont majoritairement été consacrés à la couche de sol considérée par les agronomes, soit « 0-30 cm ». Toutefois, l'intérêt vers la compréhension des mécanismes dans le « subsoil » est grandissant car la moitié du carbone des sols est située en dessous de 30 cm de profondeur, au niveau du territoire français métropolitain (Mulder et al., 2016) comme du Monde (Hiederer et Köchy, 2011 ; Jobbagy et Jackson, 2000). La datation au carbone ¹⁴C et le traçage naturel par le ¹³C montrent que l'âge médian du carbone à un mètre de profondeur est supérieur à 1 000 ans (Figure 3.2-1). Le renouvellement est 7 à 10 fois plus lent pour la couche 30-100 cm que 0-30 cm (Balesdent et al., 2018; Balesdent et al., 2017; Mathieu et al., 2015). Le carbone profond n'est cependant pas inerte. Les études ci-dessus montrent que la couche 30-100 cm contient en moyenne un quart du stock de carbone "jeune" (c'est à dire de moins de 50 ans) de la couche 0-100 cm en sols cultivés, et un cinquième en prairies permanentes (Figure 3.2-6). Plusieurs travaux rapportent des effets significatifs de changement d'utilisation des terres ou de pratiques agricoles sur le carbone profond des sols, notamment une diminution par la mise en culture de prairies ou de forêts (Guo et Gifford, 2002) une augmentation lors de la conversion de forêts en pâturages (Stahl et al., 2017), ou par l'introduction de légumineuses (Guan et al., 2016).

<figure><img src="image_24.png" /><figcaption>**Figure 3.2-6.** Distribution verticale du carbone incorporé par les matières végétales au sol en 20 ans, en conditions moyennes de la France métropolitaine. (D'après les données de Balesdent et al. 2018)</figcaption></figure>

La quantité (par incrément de 10 cm) est exprimée en proportion du C total incorporé dans le premier mètre. La valeur est une moyenne estimée par régression à partir des conditions de climat et d'usage des terres. Les barres d'erreur représentent l'intervalle de confiance à 95% de l'estimation.
### 3.2.3. Contrôle des temps de résidence du C dans les sols : facteurs biotiques et abiotiques

Les mécanismes décrits précédemment s'expriment plus ou moins dans les sols en fonction d'un cortège de dix facteurs principaux qui contrôlent leur intensité. Ces facteurs sont présentés de manière exhaustive dans (Wiesmeier et al., 2019). Nous proposons ici une synthèse des co-dépendances de ces facteurs (Tableau 3.2-2) en se focalisant sur les facteurs de variation des temps de résidence du carbone (les stocks, eux, dépendent en plus des flux de carbone entrant).

**La nature du C entrant**, en particulier sa biodégradabilité, a un effet contre-intuitif sur les temps de résidence du carbone (cf. section " Le modèle de décomposition progressive"). La nature du C affecte le TMR par le jeu des rendements d'utilisation microbienne (CUE) et de l'interaction minérale.

**La température** est un facteur majeur, parmi les mieux quantifiés, avec des vitesses de minéralisation multipliées par 2 à 3 par augmentation de 10°C, mais un effet dépendant des sols, en particulier de leur granulométrie.

**La teneur en eau du sol** augmentant, les vitesses de minéralisation s'accroissent linéairement avec l'humidité jusqu'à un maximum (atteint vers 20 à 50% d'humidité volumique selon les modèles (Sierra et al., 2015)), avec ensuite un plateau puis une décroissance en lien avec le déficit d'oxygène. Les alternances dessiccation-humectation provoquent des accélérations de la minéralisation.

**La pression partielle d'oxygène.** En milieu saturé, si le milieu devient anaérobie, les fermentations prennent le pas sur la respiration aérobie ; la dégradation des débris ligno-cellulosiques est ralentie voire stoppée. Cependant il n'y a pas d'indication d'effets d'anaérobiose temporaire sur le stockage de carbone. Les milieux anaérobies sont par ailleurs défavorables aux racines et à l'activité de la faune et des micro-organismes. A l'inverse, on attribue parfois au labour la propriété d'accélérer la biodégradation par "aération" du sol. Il n'y a pas d'indication scientifique dans ce sens.

**La granulométrie** est bien corrélée aux stocks de carbone aux échelles nationales ou des pays tempérés. La teneur en fraction <2 µm fait varier d'un facteur 2 les stocks de carbone, entre 0% et 50% dans les inventaires nationaux de C des sols.

**La minéralogie** est un déterminant majeur de la stabilisation des MO mais est encore mal quantifié. Il est couplé à la nature des ions en solution (Rasmussen et al., 2018). La minéralogie des phases en interaction avec les MOS, (en particulier des minéraux mal cristallisés) n'est pas statique, peut être largement modifiée par les usages des terres, les plantes, le pH et les amendements.

**Le pH du sol et le cortège ionique.** Le pH d'un sol déterminé par les mesures classiques est une valeur moyenne qui ne reflète pas l'hétérogénéité spatiale du pH à micro-échelle. Le pH a plus d'effet sur la physicochimie que sur la physiologie microbienne. La présence d'ions calcium ou magnésium en solution (dominants à pH > 5) et la présence de calcaire actif tendent à insolubiliser les matières organiques et à adsorber celles-ci par interactions électrostatiques, via des "ponts" Ca²⁺, et ainsi réduire leur biodégradation. L'aluminium a un rôle équivalent, mais en sol acide (< 4,5) et alumineux. A contrario, dans les sols salés où Na⁺ domine le complexe d'échange, les vitesses de biodégradation sont élevées. L'action de K⁺ n'a pas été évaluée.

**La disponibilité et l'abondance des éléments N, P, S** a des effets divers et complexes (voir sections 3.2.1.2.2 et 3.2.2.3.2). Si la dégradation des débris ligno-cellulosiques (pauvres en azote) est temporairement retardée en absence d'azote minéral, de nombreux autres effets des stœchiométries C, N, P entrent en jeu dans les primings, les interactions biotiques ou encore l'efficience d'utilisation du carbone (CUE).

**Biodiversité.** Les bactéries étant à la fois les acteurs majeurs de la minéralisation des MO mais aussi de la production de composés stabilisés, l'effet de la prédation des bactéries par les nématodes et protistes, ainsi que la régulation des bactéries par les champignons est incertain. L'impact des pesticides sur les protistes, nématodes et les champignons du sol pourrait affecter ces régulations.

**Interactions biotiques/abiotiques.** Le mécanisme de priming effect est mis en jeu dans les stratégies d'acquisition des éléments nutritifs (N, P, K) par les plantes. Les plantes libèrent des exsudats et alimentent les champignons de la rhizosphère qui biodégradent des matières organiques (Fontaine et al., 2011) ou même déstabilisent les associations organo-minérales (Keiluweit et al., 2015), libérant les composés azotés ou le phosphore. De nombreux autres mécanismes d'interaction plante-microorganismes peuvent, inversement, préserver les matières organiques
(Averill et al., 2014 ; Northup et al., 1995), ce qui permet à l'écosystème de conserver une importante réserve d'éléments et donc une grande résilience.

Ces effets des interactions entre plantes, microorganismes et phases minérales montrent que les couplages biodiversité végétale / biodiversité microbienne / minéralogie peuvent avoir contribué à la stabilité des écosystèmes, via le maintien de niveaux élevés de carbone organique. La question de l'impact des pesticides (fongicides, nématicides notamment) en tant qu'effet de l'agriculture conventionnelle sur le stockage de carbone doit être ouverte.

<caption>Tableau 3.2-2. Analyse mécaniste des facteurs influençant le temps de résidence du carbone dans les sols.</caption>

(1) (Fontaine et al., 2011) ; (2) (Kallenbach et al., 2016 ; Schmidt et al., 2011 ; Sinsabaugh et al., 2013) ; (3) (Rasmussen et al., 2018) ;
(4) (Averill et al., 2014 ; Fontaine et al., 2011 ; Northup et al., 1995) ; (5) (Bonneville et al., 2011 ; Keiluweit et al., 2015)

<table><thead><tr><th>FACTEUR</th><th>MECANISME IMPLIQUE</th><th>MODELISATION</th></tr></thead><tbody><tr><td>L'augmentation ou la diminution du facteur</td><td>entraîne l'augmentation, la diminution, l'augmentation ou la diminution de l'intensité du mécanisme.</td><td>Le mécanisme est pris en compte dans les modèles opérationnels Century, RothC ou AMG</td></tr><tr><td>Flux de carbone entrant</td><td>Mineralisation du C par priming effect</td><td>Non</td></tr><tr><td>Biodégradabilité du carbone entrant (végétal, PRO)</td><td>Carbon Use Efficiency<br>Sorption, association avec les minéraux</td><td>Non<br>Non</td></tr><tr><td>Température du sol</td><td>Activité microbienne<br>Sorptions<br>Diffusion</td><td>Oui, tous mécanismes confondus</td></tr><tr><td>Teneur en eau (hors pO2)</td><td>Mobilité et croissance microbienne<br>Sorptions<br>Diffusion et transferts</td><td>Oui, tous mécanismes confondus</td></tr><tr><td>O2 (anaérobiose)</td><td>Activité microbienne<br>Dégradation oxydative</td><td>Oui<br>Non</td></tr><tr><td>Granulométrie<br>Taille des minéraux</td><td>Diffusion et transferts<br>Sorption</td><td>Oui, tous mécanismes confondus</td></tr><tr><td>Minéralogie:<br>- Phases mal cristallisées<br>- Complexes Al, Fe<br>- Phyllosilicates 2:1</td><td>Coprécipitation<br>Complexation<br>Sorption<br>Transferts</td><td>Non<br>Non<br>Non<br>Non</td></tr><tr><td>pH</td><td>Activité biologique (entre 4,5 et 8,3)<br>Charges de surface organiques et minérales<br>Déstabilisation des associations organo-minérales<br>Al libre<br>Ca échangeable<br>Faune</td><td>Non<br>Non<br>Non<br>Non<br>Non<br>Non</td></tr><tr><td>Cortège ionique de la solution du sol</td><td>Concentration Al<sup>3+</sup>, Ca<sup>2+</sup><br>Concentration Na<sup>+</sup></td><td>Non<br>Non</td></tr><tr><td>Disponibilité N, P, S</td><td>Décomposition des résidus à C/N élevé<br>Priming effect<br>Carbon Use Efficiency</td><td>Oui<br>Non<br>Non</td></tr><tr><td>Activités d'organismes spécifiques, biodiversité</td><td>Composés anti-bactériens<br>Prédateurs bactériovores<br>Symbioses mycorhiziennes<br>Primings</td><td>Non<br>Non<br>Non<br>Non</td></tr><tr><td>Interactions vivant-minéral (exsudats, excrétions)</td><td>Formation / Dissolution de minéraux mal cristallisés<br>pH local</td><td>Non<br>Non</td></tr></tbody></table>