Water, carbon and nitrogen dynamics in soil - Influence of crop residue location and quality
Influence de la localisation et de la qualité des résidus de culture sur les dynamiques de l'eau, du carbone et de l'azote dans le sol
Résumé
At present, the mechanisms for carbon sequestration in soil are not well identified and there is still a great deal of uncertainty about its quantification. In particular, little information is available on the impact of modifications in tillage practice (e.g. conversion from conventional tillage towards no-tillage) or changes in land use on carbon stocks and fluxes in soil. Land use and management are principal factors affecting the transformation of organic matter, determining the mineralization of carbon and nitrogen or their retention in soil. In addition, different ecosystems (e.g. arable land, pasture and forest) offer a large variety of vegetation types and likewise plant residues of different nature and quality.
The main objective of this work was to identify the physical and biological processes that are affected by plant residue location in soil, in interaction with residue quality. The initial location of plant residues acts directly on some soil physical properties: thewater dynamics, solute transport and soil temperature. The biochemical quality of crop residues influences the soil (micro-)biological processes: biotransformations of carbon and nitrogen, and the activity and composition of the soil microbial biomass. These soil physical and biological changes may interact, modify the soil structure (e.g. by aggregation) and in turn influence the decomposition of soil organic matter.
In a first part, the influence of residue quality and soil type on C and Nmineralization was investigated with ‘optimal' soil-residue contact, i.e. with homogenous incorporation of finely chopped plant material. It has been demonstrated that, under controlled and non-limiting N conditions, the quality of the substrate added was the first factor determining the residue decomposition rate and that soil type had little or no effect on the short-term dynamics of residue decomposition. However on a longer term, carbon mineralization was slightly influenced by soil type, which was probably due to differences in the capacity to stabilize soluble carbon and/or microbial derived carbon.
In a second part, the effect of plant residue location on C and N mineralization was examined for oilseed rape residues in a silt loam soil. Soil columns were constructed with incorporated or surface applied residues and periodically placed under a rainfall simulator to simulate field conditions. Soil evaporation was reduced with surface placed residues, resulting in a larger soilwater content than with residue incorporation. At the same time, fast desiccation of the residue mulch was observed. Mulch-derived C and N were concentrated near the soil surface, while residue-C and -N were distributed more deeply in the soil profile with residue incorporation. Microbial activity was closely related to soluble carbon concentrations in the soil profile. Differences in water and nutrient availability resulted in a slower decomposition rate of residues left at the soil surface than when incorporated in soil. Net nitrogen mineralization was larger in soil under mulch than with residue incorporation.
Further, the influence of crop residue location on the fate of C and N in soil and soil aggregates was investigated to elucidate the mechanisms controlling carbon storage in soil. On the short term, a large fraction of particulate organic matter (POM) was left at the soil surface, while almost all of the POM had disappeared with residue incorporation. Residue addition increased the aggregate mean weight diameter (MWD) compared to the control soil, and a larger MWD was obtained in the 0-5 cm soil layer under mulch than with residue incorporation. The total amount of residue-C recovered in the aggregate fractions did not significantly differ between treatments. However, this carbon was mostly located in the upper soil layer with mulch, while it was almost equally distributed over the two soil layers with residue incorporation. Despite the different way for new C toenter the soil, the relative distribution of residue-C in the various aggregate fractions did not differ between the two treatments on the longer term - probably because in both treatments residue-C mainly entered the aggregate fractions as soluble C.
Finally, the interaction of crop residue location with residue quality regarding C and N mineralization was examined. Residue mulch significantly reduced soil water evaporation, the extent of reduction depended on physical properties of the mulch layer. Changes in mulch water content, assumed as the main factor controlling surface residue decomposition, also depended on (physical) residue quality. When incorporated, C mineralization rates were mainly influenced by the biochemical residue quality, e.g. C:N ratio and soluble compounds. The strongest interactions between residue location and quality were observed in the N dynamics: net N mineralization was determined by the interaction between soil water content (depending on residue location) and N availability (depending on residue quality). Our results contributed to the development and calibration of a submodule of the PASTIS model (Garnier et al., 2003), describing the decomposition of mulched residues. Modelling with PASTISmulch allowed to access gross N fluxes, to estimate nitrate transport and potential leaching in the soil profile and to quantify the impact of residue location and quality on C and N mineralization in soil.
Keywords: carbon, nitrogen, decomposition, crop residue location and quality, modelling
The main objective of this work was to identify the physical and biological processes that are affected by plant residue location in soil, in interaction with residue quality. The initial location of plant residues acts directly on some soil physical properties: thewater dynamics, solute transport and soil temperature. The biochemical quality of crop residues influences the soil (micro-)biological processes: biotransformations of carbon and nitrogen, and the activity and composition of the soil microbial biomass. These soil physical and biological changes may interact, modify the soil structure (e.g. by aggregation) and in turn influence the decomposition of soil organic matter.
In a first part, the influence of residue quality and soil type on C and Nmineralization was investigated with ‘optimal' soil-residue contact, i.e. with homogenous incorporation of finely chopped plant material. It has been demonstrated that, under controlled and non-limiting N conditions, the quality of the substrate added was the first factor determining the residue decomposition rate and that soil type had little or no effect on the short-term dynamics of residue decomposition. However on a longer term, carbon mineralization was slightly influenced by soil type, which was probably due to differences in the capacity to stabilize soluble carbon and/or microbial derived carbon.
In a second part, the effect of plant residue location on C and N mineralization was examined for oilseed rape residues in a silt loam soil. Soil columns were constructed with incorporated or surface applied residues and periodically placed under a rainfall simulator to simulate field conditions. Soil evaporation was reduced with surface placed residues, resulting in a larger soilwater content than with residue incorporation. At the same time, fast desiccation of the residue mulch was observed. Mulch-derived C and N were concentrated near the soil surface, while residue-C and -N were distributed more deeply in the soil profile with residue incorporation. Microbial activity was closely related to soluble carbon concentrations in the soil profile. Differences in water and nutrient availability resulted in a slower decomposition rate of residues left at the soil surface than when incorporated in soil. Net nitrogen mineralization was larger in soil under mulch than with residue incorporation.
Further, the influence of crop residue location on the fate of C and N in soil and soil aggregates was investigated to elucidate the mechanisms controlling carbon storage in soil. On the short term, a large fraction of particulate organic matter (POM) was left at the soil surface, while almost all of the POM had disappeared with residue incorporation. Residue addition increased the aggregate mean weight diameter (MWD) compared to the control soil, and a larger MWD was obtained in the 0-5 cm soil layer under mulch than with residue incorporation. The total amount of residue-C recovered in the aggregate fractions did not significantly differ between treatments. However, this carbon was mostly located in the upper soil layer with mulch, while it was almost equally distributed over the two soil layers with residue incorporation. Despite the different way for new C toenter the soil, the relative distribution of residue-C in the various aggregate fractions did not differ between the two treatments on the longer term - probably because in both treatments residue-C mainly entered the aggregate fractions as soluble C.
Finally, the interaction of crop residue location with residue quality regarding C and N mineralization was examined. Residue mulch significantly reduced soil water evaporation, the extent of reduction depended on physical properties of the mulch layer. Changes in mulch water content, assumed as the main factor controlling surface residue decomposition, also depended on (physical) residue quality. When incorporated, C mineralization rates were mainly influenced by the biochemical residue quality, e.g. C:N ratio and soluble compounds. The strongest interactions between residue location and quality were observed in the N dynamics: net N mineralization was determined by the interaction between soil water content (depending on residue location) and N availability (depending on residue quality). Our results contributed to the development and calibration of a submodule of the PASTIS model (Garnier et al., 2003), describing the decomposition of mulched residues. Modelling with PASTISmulch allowed to access gross N fluxes, to estimate nitrate transport and potential leaching in the soil profile and to quantify the impact of residue location and quality on C and N mineralization in soil.
Keywords: carbon, nitrogen, decomposition, crop residue location and quality, modelling
Les mécanismes qui contrôlent le stockage du carbone dans le sol ne sont pas tous clairement identifiés et il reste une grande incertitude concernant leur quantification. L'usage et la gestion des sols sont les facteurs principaux qui influencent les transformations de la matière organique, déterminant la minéralisation du carbone et de l'azote ou leur rétention dans le sol
L'objectif principal de cette thèse est l'identification des processus physiques et biologiques qui sont influencés par la localisation des résidus dans le sol, en interaction avec la qualité de ces résidus. La localisation initiale des résidus modifie des propriétés physiques du sol : les dynamiques d'eau, le transport des solutés ou la température du sol. La qualité biochimique des résidus influence les processus (micro-)biologiques : les biotransformations du carbone et de l'azote, l'activité et la composition des populations microbiennes dans le sol. Ces changements physiques et biologiques interagissent, peuvent modifier la structure du sol (par l'agrégation) et, en retour, influencer la décomposition de la matière organique.
La première partie de ce travail traite de l'influence de la qualité des résidus végétaux et du type de sol sur la minéralisation du C et N en contact 'optimal' avec le sol (incorporation homogène des résidus finement coupés). Il est montré que sous conditions contrôlées et d'azote non limitant, la qualité des résidus est le facteur principal déterminant la vitesse de décomposition. Le type de sol a un effet négligeable sur les dynamiques de décomposition à court terme. Par contre, la minéralisation du carbone à plus long terme dépend du type de sol, ce qui est probablement lié aux différences dans la capacité du sol à stabiliser du carbone soluble ou d'origine microbienne.
La deuxième partie traite de l'effet de la localisation des résidus sur la minéralisation du C et N pour des résidus de colza dans un sol limoneux. Des colonnes de sol sont construites avec des résidus soit incorporés soit laissés à la surface du sol. Les colonnes sont placées périodiquement sous un simulateur de pluie pour simuler des conditions hydriques relativement similaires au champ. L'évaporation du sol est fortement réduite avec le mulch, ce qui conduit à une humidité du sol plus grande que lorsque les résidus sont incorporés. Simultanément, on observe un dessèchement rapide du mulch de résidus. Le C et N issu des résidus est distribué différemment dans le sol selon que ceux-ci sont à la surface ou incorporés. Les différences dans la disponibilité d'eau et des nutriments conduisent à une vitesse de décomposition plus lente pour des résidus à la surface que pour des résidus incorporés dans le sol. Cependant, la minéralisation nette de l'azote est plus grande dans le sol sous mulch qu'avec incorporation des résidus en raison de l'humidité plus grande qui favorise la minéralisation et d'une moindre organisation d'azote.
L'influence de la localisation des résidus sur le devenir du C et N dans le sol et dans les agrégats est examinée afin d'évaluer les mécanismes qui contrôlent le stockage du carbone dans le sol. A court terme, une grande partie de la matière organique particulaire (MOP) est retenue à la surface du sol avec le traitement mulch alors que toute la MOP a disparu quand les résidus sont incorporés. La présence des résidus augmente la taille moyenne des agrégats comparé au sol témoin et des agrégats plus larges sont trouvés dans la couche de sol 0-5 cm sous le mulch que dans la couche ou les résidus sont incorporés. La quantité totale du C des résidus récupérée dans les agrégats est similaire avec les résidus laissés à la surface et les résidus incorporés, mais elle est distribuée différemment dans le profil du sol. Malgré les différences dans la façon dont le C 'nouveau' entre dans le sol, la distribution relative du C des résidus dans les micro et macro agrégats est la même pour les deux localisations, probablement parce que dans les deux cas le C des résidus entre dans les agrégats sous forme soluble.
Finalement, l'interaction entre la localisation des résidus et leur qualité est étudiée. Un mulch réduit fortement l'évaporation du sol et l'importance de cette réduction dépend de la qualité physique du mulch. Des changements dans l'humidité du mulch, identifié comme facteur principal qui détermine la décomposition du mulch, dépend aussi de la qualité (physique) des résidus. Avec l'incorporation des résidus, la vitesse de minéralisation de C est principalement influencée par la qualité biochimique des résidus. L'interaction la plus forte entre localisation et qualité des résidus est observée sur les dynamiques de l'azote : la minéralisation nette de l'azote est déterminée par l'interaction entre l'humidité du sol (effet localisation) et la disponibilité de l'azote (effet qualité). Ces résultats permettent de développer et de calibrer un module du modèle PASTIS (Garnier et al., 2003), conçu pour simuler la décomposition d'un mulch. La modélisation avec PASTISmulch a permis d'avoir accès au flux brut d'azote, d'estimer le transport des nitrates et le lessivage potentiel dans le profil du sol, et de quantifier l'impact de la localisation et qualité des résidus sur la minéralisation du C et N dans le sol.
L'objectif principal de cette thèse est l'identification des processus physiques et biologiques qui sont influencés par la localisation des résidus dans le sol, en interaction avec la qualité de ces résidus. La localisation initiale des résidus modifie des propriétés physiques du sol : les dynamiques d'eau, le transport des solutés ou la température du sol. La qualité biochimique des résidus influence les processus (micro-)biologiques : les biotransformations du carbone et de l'azote, l'activité et la composition des populations microbiennes dans le sol. Ces changements physiques et biologiques interagissent, peuvent modifier la structure du sol (par l'agrégation) et, en retour, influencer la décomposition de la matière organique.
La première partie de ce travail traite de l'influence de la qualité des résidus végétaux et du type de sol sur la minéralisation du C et N en contact 'optimal' avec le sol (incorporation homogène des résidus finement coupés). Il est montré que sous conditions contrôlées et d'azote non limitant, la qualité des résidus est le facteur principal déterminant la vitesse de décomposition. Le type de sol a un effet négligeable sur les dynamiques de décomposition à court terme. Par contre, la minéralisation du carbone à plus long terme dépend du type de sol, ce qui est probablement lié aux différences dans la capacité du sol à stabiliser du carbone soluble ou d'origine microbienne.
La deuxième partie traite de l'effet de la localisation des résidus sur la minéralisation du C et N pour des résidus de colza dans un sol limoneux. Des colonnes de sol sont construites avec des résidus soit incorporés soit laissés à la surface du sol. Les colonnes sont placées périodiquement sous un simulateur de pluie pour simuler des conditions hydriques relativement similaires au champ. L'évaporation du sol est fortement réduite avec le mulch, ce qui conduit à une humidité du sol plus grande que lorsque les résidus sont incorporés. Simultanément, on observe un dessèchement rapide du mulch de résidus. Le C et N issu des résidus est distribué différemment dans le sol selon que ceux-ci sont à la surface ou incorporés. Les différences dans la disponibilité d'eau et des nutriments conduisent à une vitesse de décomposition plus lente pour des résidus à la surface que pour des résidus incorporés dans le sol. Cependant, la minéralisation nette de l'azote est plus grande dans le sol sous mulch qu'avec incorporation des résidus en raison de l'humidité plus grande qui favorise la minéralisation et d'une moindre organisation d'azote.
L'influence de la localisation des résidus sur le devenir du C et N dans le sol et dans les agrégats est examinée afin d'évaluer les mécanismes qui contrôlent le stockage du carbone dans le sol. A court terme, une grande partie de la matière organique particulaire (MOP) est retenue à la surface du sol avec le traitement mulch alors que toute la MOP a disparu quand les résidus sont incorporés. La présence des résidus augmente la taille moyenne des agrégats comparé au sol témoin et des agrégats plus larges sont trouvés dans la couche de sol 0-5 cm sous le mulch que dans la couche ou les résidus sont incorporés. La quantité totale du C des résidus récupérée dans les agrégats est similaire avec les résidus laissés à la surface et les résidus incorporés, mais elle est distribuée différemment dans le profil du sol. Malgré les différences dans la façon dont le C 'nouveau' entre dans le sol, la distribution relative du C des résidus dans les micro et macro agrégats est la même pour les deux localisations, probablement parce que dans les deux cas le C des résidus entre dans les agrégats sous forme soluble.
Finalement, l'interaction entre la localisation des résidus et leur qualité est étudiée. Un mulch réduit fortement l'évaporation du sol et l'importance de cette réduction dépend de la qualité physique du mulch. Des changements dans l'humidité du mulch, identifié comme facteur principal qui détermine la décomposition du mulch, dépend aussi de la qualité (physique) des résidus. Avec l'incorporation des résidus, la vitesse de minéralisation de C est principalement influencée par la qualité biochimique des résidus. L'interaction la plus forte entre localisation et qualité des résidus est observée sur les dynamiques de l'azote : la minéralisation nette de l'azote est déterminée par l'interaction entre l'humidité du sol (effet localisation) et la disponibilité de l'azote (effet qualité). Ces résultats permettent de développer et de calibrer un module du modèle PASTIS (Garnier et al., 2003), conçu pour simuler la décomposition d'un mulch. La modélisation avec PASTISmulch a permis d'avoir accès au flux brut d'azote, d'estimer le transport des nitrates et le lessivage potentiel dans le profil du sol, et de quantifier l'impact de la localisation et qualité des résidus sur la minéralisation du C et N dans le sol.