Carbon sequestration and greenhouse effect gases fluxes
Comparison between no-tillage system and conventional system in the Cerrados (Brazil)
Séquestration de carbone et flux de gaz à effet de serre
Comparaison entre semis direct et système conventionnel dans les Cerrados brésiliens
Résumé
Nowadays, around 20 million hectares are cultivated with no tillage systems (NT) in Brazil. These systems are agronomically efficient under tropical conditions. The present study, based on field data, laboratory experiment and modelling, deals with the impact of NT under cover crops on carbon (C) sequestration in comparison with a disc tillage system (offset, OFF) on an oxisol in the Cerrados (Central Brazil).
First of all, we studied the soil carbon stocks and compared our results to initial stocks (1998). NT was found to increase the storage of C in the topsoil layer (0-30 cm) compared to OFF. The difference observed for the 0-10 cm layer under NT represented C sequestration under no-tillage amounting to 0.35 t C ha-1 yr-1 which corresponds to about 10 % of cover crops residues returned to the soil. A particle-size fractionation of soil organic matter (SOM) showed that new C is mainly located in fractions smaller than 50 µm, whose SOM is generally considered as relatively stable. But, as NT increases C-CO2 fixation in soil, it may also increase other greenhouse effect gases (GHG) emissions and in particular N2O and CH4.
Secondly, N2O and CH4 fluxes were determined using a closed-chamber; N2O and CO2 concentrations at 3 depths (10-, 20- and 30 cm) and determinants of soil gas productions and emissions (water content, temperature, mineral nitrogen) were measured during the whole cropping cycle. No significative difference between treatments was observed for both gases. Total annual estimated emissions of N2O correspond to 0.03% of the total N-fertilizer applied which is rather low but in agreement with literature concerning Cerrados soils. CH4 emissions are very low as well. On a C-CO2 basis, N2O and CH4 emissions represent 6.0 and 7.8 kg C-CO2.ha-1.yr-1 for NT and OFF respectively. As a result, the carbon sequestration balance taking into account the CO2 (measured from soil C stocks), CH4 and N2O (measured by the closed chamber method) on a C-CO2 equivalent basis is in favour of NT (351.8 kg C.ha-1.yr-1) considering that this treatment increases carbon storage originated from C-CO2 for the topsoil layer in comparison with OFF treatment.
But, the global GHG balance calculated from field data is weakened by the discontinuity and the high variability of field measurements. Thus, we studied under laboratory conditions the potential for these soils to emit N2O from nitrification and denitrification. The results indicate that our soils emit low amounts of N2O even under optimal conditions. Then we used both laboratory and field measurements to implement a model (NOE: Nitrous Oxide Emissions) to simulate N2O emissions. To evaluate the whole range of N2O emissions, we simulate continuously the water content using another model (PASTIS) on this soil over the whole agricultural cycle. Simulations by NOE showed that (i) our soils emit low amounts of N2O (and CH4) for both systems (NT and OFF), (ii) N2O emissions from nitrification and denitrification cumulate during the whole cropping cycle, (iii) emissions by denitrification correspond to short periods of high N2O emissions (15 times higher than emission by nitrification), (iv) nitrification is not negligible and contributes to 35 and 31 % of the total N2O emissions for NT and OFF respectively and that (v) field measurements of N2O emissions seem to correspond to nitrification only. The new simulated C sequestration balance confirms the previous balance based on field data. As a result, the carbon sequestration balance taking into account the CO2, CH4 and N2O on a C-CO2 equivalent (around 320 kg C.ha-1.yr-1) basis is in favour of NT treatment.
The ability of NT to sequester C is another environmental benefit of this system.
First of all, we studied the soil carbon stocks and compared our results to initial stocks (1998). NT was found to increase the storage of C in the topsoil layer (0-30 cm) compared to OFF. The difference observed for the 0-10 cm layer under NT represented C sequestration under no-tillage amounting to 0.35 t C ha-1 yr-1 which corresponds to about 10 % of cover crops residues returned to the soil. A particle-size fractionation of soil organic matter (SOM) showed that new C is mainly located in fractions smaller than 50 µm, whose SOM is generally considered as relatively stable. But, as NT increases C-CO2 fixation in soil, it may also increase other greenhouse effect gases (GHG) emissions and in particular N2O and CH4.
Secondly, N2O and CH4 fluxes were determined using a closed-chamber; N2O and CO2 concentrations at 3 depths (10-, 20- and 30 cm) and determinants of soil gas productions and emissions (water content, temperature, mineral nitrogen) were measured during the whole cropping cycle. No significative difference between treatments was observed for both gases. Total annual estimated emissions of N2O correspond to 0.03% of the total N-fertilizer applied which is rather low but in agreement with literature concerning Cerrados soils. CH4 emissions are very low as well. On a C-CO2 basis, N2O and CH4 emissions represent 6.0 and 7.8 kg C-CO2.ha-1.yr-1 for NT and OFF respectively. As a result, the carbon sequestration balance taking into account the CO2 (measured from soil C stocks), CH4 and N2O (measured by the closed chamber method) on a C-CO2 equivalent basis is in favour of NT (351.8 kg C.ha-1.yr-1) considering that this treatment increases carbon storage originated from C-CO2 for the topsoil layer in comparison with OFF treatment.
But, the global GHG balance calculated from field data is weakened by the discontinuity and the high variability of field measurements. Thus, we studied under laboratory conditions the potential for these soils to emit N2O from nitrification and denitrification. The results indicate that our soils emit low amounts of N2O even under optimal conditions. Then we used both laboratory and field measurements to implement a model (NOE: Nitrous Oxide Emissions) to simulate N2O emissions. To evaluate the whole range of N2O emissions, we simulate continuously the water content using another model (PASTIS) on this soil over the whole agricultural cycle. Simulations by NOE showed that (i) our soils emit low amounts of N2O (and CH4) for both systems (NT and OFF), (ii) N2O emissions from nitrification and denitrification cumulate during the whole cropping cycle, (iii) emissions by denitrification correspond to short periods of high N2O emissions (15 times higher than emission by nitrification), (iv) nitrification is not negligible and contributes to 35 and 31 % of the total N2O emissions for NT and OFF respectively and that (v) field measurements of N2O emissions seem to correspond to nitrification only. The new simulated C sequestration balance confirms the previous balance based on field data. As a result, the carbon sequestration balance taking into account the CO2, CH4 and N2O on a C-CO2 equivalent (around 320 kg C.ha-1.yr-1) basis is in favour of NT treatment.
The ability of NT to sequester C is another environmental benefit of this system.
Au Brésil, les systèmes de culture en semis direct couvrent aujourd'hui près de 20 millions d'hectares et se révèlent bien adaptés agronomiquement aux exigences tropicales. Cette thèse étudie, à partir d'une importante collecte de données au champ complétée par des expérimentations en laboratoire et des simulations, la séquestration du carbone (C) sous semis direct sous couverture végétale (SCV) en comparaison avec un système de culture avec travail du sol (offset, OFF) à l'échelle du cycle cultural sur un dispositif expérimental de la région des Cerrados.
Dans un premier temps, nous avons étudié les stocks de C des sols en 2003 et les avons comparés aux stocks initiaux (1998). Nous avons constaté une augmentation du stockage de C en surface (0-10 cm) sous SCV, en comparaison avec OFF, de l'ordre de 0,35 t C.ha-1.an-1, ce qui correspond à 10% environ des résidus de couverture restitués au sol. Une analyse par fractionnement granulométrique de la matière organique (MO) a montré que le C nouvellement stocké est localisé essentiellement dans les fractions fines (< 50 µm) dont la MO est généralement considérée comme relativement stable. Cependant, si les pratiques de non-travail augmentent le stockage de C dans le sol, elles pourraient toutefois favoriser les émissions de N2O et CH4.
Dans un second temps, nous avons donc mesuré les flux de CH4 et N2O à la surface du sol à l'aide de chambres statiques, les concentrations en CO2 et N2O à différentes profondeurs du sol, ainsi que les déterminants de production et d'émission des GES (température, azote minéral, teneur en eau). Aucune différence significative n'a été notée entre les deux systèmes pour les flux de CH4 et N2O. Les émissions annuelles mesurées de N2O correspondent à 0,03% de la quantité d'azote apportée par fertilisation sur les parcelles, ce qui est très faible mais non contradictoire avec la littérature existante sur les Cerrados. Les émissions de CH4 sont faibles également. En équivalent C-CO2, la somme des émissions de N2O et CH4 correspondent à 6,0 et 7,8 kg C.ha-1.an-1 pour SCV et OFF respectivement. Finalement, le bilan mesuré pour la séquestration du C (en équivalent C-CO2), considérant l'ensemble des flux de CO2 (approché par les variations de stocks de C du sol), de N2O et de CH4 (par mesures directes à la surface du sol) est de 351,8 kg C.ha-1.an-1, et donc bien en faveur du système SCV.
Cependant, l'estimation des bilans de N2O et CH4 au champ souffre de la grande variabilité et de la discontinuité des mesures de terrain. Aussi, avons-nous mené une expérimentation en laboratoire visant à caractériser, dans le cas de N2O, les potentiels d'émission par dénitrification et nitrification. Les résultats permettent de classer le sol étudié comme peu émetteur de N2O. Nous avons par la suite utilisé ces mesures, ainsi que la base de données acquises au champ, afin de renseigner le modèle NOE (Nitrous Oxide Emissions) de simulation des émissions de N2O. Ce modèle nécessitant une connaissance précise des humidités du sol, et celles-ci étant considérées comme un déterminant clé des émissions de N2O, elles ont été simulées par le modèle PASTIS afin de renseigner en continu le modèle NOE. Ces simulations sur l'ensemble du cycle cultural ont permis de montrer que (i) le sol étudié, qu'il soit sous SCV ou sous OFF, est très faiblement émetteur de N2O (et de CH4), (ii) les émissions de N2O par nitrification et par dénitrification s'ajoutent au cours du cycle cultural, (iii) les émissions par dénitrification représentent des évènements ponctuels, d'amplitude très importante (15 fois l'ordre de grandeur de l'émission par nitrification), (iv) la contribution de la nitrification aux émissions de N2O n'est pas négligeable et s'élève à 35 et 31% pour SCV et OFF respectivement et que (v) les mesures au champ semblent estimer essentiellement les flux de N2O liés a la nitrification. Le nouveau bilan « simulé » confirme le bilan « mesuré » au champ avec une séquestration du C sous SCV d'environ 320 kg C.ha-1.an-1.
La potentiel de séquestration du C des SCV confère à ces systèmes de culture un intérêt environnemental supplémentaire en conditions tropicales.
Dans un premier temps, nous avons étudié les stocks de C des sols en 2003 et les avons comparés aux stocks initiaux (1998). Nous avons constaté une augmentation du stockage de C en surface (0-10 cm) sous SCV, en comparaison avec OFF, de l'ordre de 0,35 t C.ha-1.an-1, ce qui correspond à 10% environ des résidus de couverture restitués au sol. Une analyse par fractionnement granulométrique de la matière organique (MO) a montré que le C nouvellement stocké est localisé essentiellement dans les fractions fines (< 50 µm) dont la MO est généralement considérée comme relativement stable. Cependant, si les pratiques de non-travail augmentent le stockage de C dans le sol, elles pourraient toutefois favoriser les émissions de N2O et CH4.
Dans un second temps, nous avons donc mesuré les flux de CH4 et N2O à la surface du sol à l'aide de chambres statiques, les concentrations en CO2 et N2O à différentes profondeurs du sol, ainsi que les déterminants de production et d'émission des GES (température, azote minéral, teneur en eau). Aucune différence significative n'a été notée entre les deux systèmes pour les flux de CH4 et N2O. Les émissions annuelles mesurées de N2O correspondent à 0,03% de la quantité d'azote apportée par fertilisation sur les parcelles, ce qui est très faible mais non contradictoire avec la littérature existante sur les Cerrados. Les émissions de CH4 sont faibles également. En équivalent C-CO2, la somme des émissions de N2O et CH4 correspondent à 6,0 et 7,8 kg C.ha-1.an-1 pour SCV et OFF respectivement. Finalement, le bilan mesuré pour la séquestration du C (en équivalent C-CO2), considérant l'ensemble des flux de CO2 (approché par les variations de stocks de C du sol), de N2O et de CH4 (par mesures directes à la surface du sol) est de 351,8 kg C.ha-1.an-1, et donc bien en faveur du système SCV.
Cependant, l'estimation des bilans de N2O et CH4 au champ souffre de la grande variabilité et de la discontinuité des mesures de terrain. Aussi, avons-nous mené une expérimentation en laboratoire visant à caractériser, dans le cas de N2O, les potentiels d'émission par dénitrification et nitrification. Les résultats permettent de classer le sol étudié comme peu émetteur de N2O. Nous avons par la suite utilisé ces mesures, ainsi que la base de données acquises au champ, afin de renseigner le modèle NOE (Nitrous Oxide Emissions) de simulation des émissions de N2O. Ce modèle nécessitant une connaissance précise des humidités du sol, et celles-ci étant considérées comme un déterminant clé des émissions de N2O, elles ont été simulées par le modèle PASTIS afin de renseigner en continu le modèle NOE. Ces simulations sur l'ensemble du cycle cultural ont permis de montrer que (i) le sol étudié, qu'il soit sous SCV ou sous OFF, est très faiblement émetteur de N2O (et de CH4), (ii) les émissions de N2O par nitrification et par dénitrification s'ajoutent au cours du cycle cultural, (iii) les émissions par dénitrification représentent des évènements ponctuels, d'amplitude très importante (15 fois l'ordre de grandeur de l'émission par nitrification), (iv) la contribution de la nitrification aux émissions de N2O n'est pas négligeable et s'élève à 35 et 31% pour SCV et OFF respectivement et que (v) les mesures au champ semblent estimer essentiellement les flux de N2O liés a la nitrification. Le nouveau bilan « simulé » confirme le bilan « mesuré » au champ avec une séquestration du C sous SCV d'environ 320 kg C.ha-1.an-1.
La potentiel de séquestration du C des SCV confère à ces systèmes de culture un intérêt environnemental supplémentaire en conditions tropicales.
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