1. Le stockage du carbone dans les sols

Jusqu’à 3 400 gigatonnes de carbone organique dans les sols

Les sols contiennent trois fois plus de carbone que l’atmosphère [1A] [1B] ou la végétation (appelée aussi biomasse et composée de matière organique) terrestre [I, page 3.2]. « Dans le dernier rapport du GIEC (Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat), les estimations sont de 1500 à 2400 gigatonnes (Gt) de carbone [A], rappelle Christine Hatté, chercheuse au Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement (LSCE). Mais elles datent de 1996 et elles ont une grande marge d’incertitude ».  En 2014, une méta-analyse [a repris 27 études sur les stocks estimés. La quantité totale de carbone organique du sol y est estimée à 1 500 Gt, avec une fourchette allant de 504 à 3 000 Gt. L’article note aussi que la plupart des observations se font jusqu’à 1 mètre de profondeur maximum. Or, il y a 1,5 à 2 fois plus de carbone à 3 mètres [3].

Pour améliorer encore la connaissance des stocks, l’échantillonnage et la représentation spatiale du carbone ont été améliorés comme dans le projet SoilGrids, développé par le Centre international d’information de référence du sol (ISRIC) [b]. Il a pour objectif de produire une carte de la répartition du carbone dans les sols de la planète avec une résolution spatiale fine de 250 mètres [4] [-1] [-2].

Il a établi que le stock de carbone organique du sol jusqu’à un mètre de profondeur est de 3 421 Gt, dont 1161 Gt dans les zones boréales (voir carte ci-dessus et [II]). Ces estimations, basées sur 150 000 profils de sols, sont les plus proches de celles vérifiées par échantillonnage [5].

Les flux de carbone entre les sols et l’atmosphère dans le réchauffement climatique

Le réchauffement climatique observé entre 1880 et 2012 a été de 0,85°C [A2]. Il a été provoqué, depuis l’ère industrielle, par la combustion des énergies fossiles (charbon, pétrole et gaz), la production de ciment, les changements d’exploitation (labour profond…) et d’affectation (retournement des prairies pour leur mise en culture,…) des sols et par la déforestation. Heureusement, plus de la moitié des émissions de CO₂ que ces facteurs ont causé a été absorbée par les océans et les sols (voir tableau ci-dessous et [A]).

La remise en cause des scénarios utilisés par le GIEC évaluant le stockage du carbone

Mais de nombreux travaux remettent en cause les scenarios dont les résultats sont utilisés par le GIEC. Ils en proposent de nouveaux plus pessimistes concernant la capacité des sols à stocker le carbone.

En effet, les modèles du GIEC indiquent qu’avec du CO₂ supplémentaire dans l’atmosphère, la quantité de carbone stockée dans les sols augmentent.

« Les modules carbone/sol intégrés aux modèles système terre se basent sur une approche qui date d’une trentaine d’années », explique Bertrand Guenet.

Le carbone a été beaucoup moins stocké dans le sol depuis 1750 qu’estimé par le GIEC

Une grande avancée a été permise avec la datation par le carbone 14 (¹⁴C). « L’usage du carbone 14 à l’échelle moléculaire est une révolution, indique Christine Hatté. Cela a permis de détecter des acides aminés de plusieurs dizaines d’années ». Dans un article publié par Yujie He en 2016, des chercheurs ont ainsi estimé, grâce au ¹⁴C, que l’âge moyen du carbone des sols sur la planète, évalué par les modèles, était largement sous-estimé. Les scientifiques arrivent à une estimation de l’âge moyen du carbone dans le sol de moins d’un mètre de profondeur de 3 100 ans (plus ou moins 1 800) tandis que les modèles système Terre, dont les résultats sont utilisés par le GIEC (ESMs), arrivaient à un âge de 430 ans (plus ou moins 50) [6]. Ils indiquaient ainsi que ce carbone était récent dans le sol et qu’il provenait alors en grande partie  de son stockage depuis 1750 (évalué à 160 Gt, voir cellule « -160 » ligne « Flux sol-atmosphère (puits terrestre) » du tableau ci-dessus) ), en réponse à l’augmentation du CO₂ atmosphérique.

Ces résultats corroborent d’autres observations. « Nous avons comparé les observations aux dernières sorties du modèle ORCHIDEE (la composante surface terrestre de l’ESM développé à l’Institut Pierre Simon Laplace [c]), raconte Bertrand Guenet, chargé  de recherche au LSCE. Ce dernier a tendance à estimer un stockage de carbone récemment stocké trop important ».

2. Stocker, chaque année, davantage de carbone dans les sols

Les modèles globaux qui relient la teneur en CO₂ atmosphérique à la température montrent qu’une baisse du stock atmosphérique de carbone (C) de 3,5 à 4 Gt/an limiterait la hausse des températures à +1,5/2 °C d’ici à 2100, seuil au-delà duquel les conséquences induites par le changement climatique seraient d’une ampleur significative [1A, p. 196] [1B].  La concentration de CO₂ atmosphérique est passée de 280 ppm (parties par million) en 1750 à 400 ppm en 2013 et augmente d’environ 2,3 ppm/an [5, page 21A]. Or 1 Gt de carbone dans le sol est équivalent à 0,47 ppm dans l’atmosphère [7].

Un des leviers pour stopper l’augmentation de la concentration de CO₂ dans l’atmosphère serait donc, en plus d’une réduction drastique des émissions de gaz à effet de serre d’origine fossile, d’accroître chaque année le stock de carbone dans les 30 à 100 premiers centimètres du sol, en changeant les pratiques de son utilisation. Cela permettrait en plus d’accroître la fertilité des terres.

Les compartiments du sol et le stockage pérenne du carbone

L’objectif est que les sorties (CO₂, carbone dissous et érosion) soient inférieures aux entrées. Celles-ci se font sous forme d’apports de matière organique carbonée d’origine animale (déjections) ou végétale, dont la croissance est assurée par photosynthèse fixant le CO₂. Cette dernière est représentée par les litières aériennes (feuilles d’arbres, paille, résidus de légumineuse…) mais surtout souterraines (racines des arbres, litières et exsudats racinaires…) [1A, p. 196] [1B].

On distingue trois compartiments de matière organique (MO) carbonée dans les sols, en fonction de leur vitesse de dégradation : un labile (dégradation de la MO sur des échelles de temps allant de la journée à l’année), un intermédiaire (décomposition en années voire décennies) et un stable (renouvellement en plusieurs décennies à plusieurs siècles).

L’enjeu est donc d’augmenter la taille des réservoirs intermédiaire et stable, afin de maximiser la durabilité du stockage additionnel de carbone.

L’initiative d’augmenter le stockage annuel de carbone de 0.4% dans les sols

Dans cette optique, en 1999, une étude de Jérôme Balesdent et Dominique Arrouays a indiqué un chiffre d’une augmentation annuelle de ce stockage de 0,4 % (quatre pour mille), à l’échelle globale [1A] [1B] [8]. Elle permettrait une compensation des émissions résiduelles de gaz à effet de serre d’origine anthropique, qui seraient toujours non nulles après leur réduction la plus importante possible. Lors de la COP 21, le Ministère de l’Agriculture  et de l’Alimentation  a repris ce chiffrage et a lancé l’initiative « 4 pour 1000, les sols pour la sécurité alimentaire et le climat » [III].

« Le carbone des sols est un levier très intéressant pour diminuer l’impact du changement climatique, indique Bertrand Guenet. L’idée du projet « 4 pour 1000 » est que si on augmente de 0,4% par an la quantité de carbone dans les sols, on compenserait beaucoup les émissions de carbone dans l’atmosphère. Le calcul « 4 pour 1000 » est simpliste mais intéressant. D’autant plus que les sols rendent de nombreux autres services écosystémiques ».

Intégrer tous les facteurs, encadrer et évaluer un tel projet

Cette initiative intègre d’autres facteurs comme le relève Christine Hatté : « Ce qui est intéressant, c’est d’arriver à chaque fois à une évaluation intégrée de l’ensemble des processus. On considère plusieurs paramètres en plus de l’effet de l’agro-écologie sur le carbone : économiques, sociaux,  autonomie des populations… Par exemple, s’il y a des intrants, cela produit des émissions de gaz à effet de serre pour leur fabrication et une pollution de l’eau ».

Pour qu’un tel projet soit véritablement transformateur, il doit alors être doté de règles de gouvernance claires et d’un cadre de référence et d’évaluation bien défini [IV] [V].

De plus, l’effet des mécanismes de stabilisation des matières organiques doit être étudié sur tout le profil de sol, y compris en profondeur (jusqu’au matériau parental), la couche superficielle du sol n’étant pas la seule impactée par les pratiques agricoles et l’usage des sols [1A, p. 215] [1B] et afin d’aboutir à un stockage pérenne du carbone, appelé séquestration du carbone.

3. Les facteurs agissant sur le stockage du carbone dans le sol

Les études récentes prennent en compte des mécanismes comme par exemple l’effet du réchauffement sur la respiration des plantes, les enzymes des micro-organismes décomposant et minéralisant la matière organique carbonée ou encore le type de végétation mis en place par rapport à la précédente.

La représentation du sol

Des représentations plus fines du sol ont été étudiées depuis 2006. « En 2007, Markus Kleber a publié une représentation en mille-feuille de la matière organique, reprend Christine Hatté. Cela a permis d’imaginer   la matière organique du sol en différentes couches, successives, avec une répartition des molécules. On pensait par exemple que les lipides restaient fixés aux surfaces minérales, mais en fait ils sont présents dans toutes les couches » [9].

Activité des micro-organismes du sol

L’activité des micro-organismes du sol (surtout les microbes et les champignons) a aussi une action, en présence d’oxygène, sur l’émission de CO2 par respiration (phénomène inverse à la photosynthèse, émettant du gaz carbonique, comme chez l’être humain) et, en son absence, sur celle de CH4 (méthane) [VI]. Ceux-ci sont défavorables au stockage du carbone si les molécules de chaines carbonées qu’ils fabriquent, qui sont stockables de manière plus pérenne dans le sol, sont élaborées par eux avec une trop grande consommation d’énergie, ce qui leur fait émettre du CO2 (ou du CH4).

Une publication de 2013 a ainsi indiqué qu’un modèle plus précis basé sur l’activité microbienne aboutissait à, si leur masse n’était pas impactée par le changement climatique et restait la même, que les sols pourraient perdre 300 Gt de carbone d’ici 2100. [10] « L’ajout de matière organique dans les sols dynamise les micro-organismes qui vont consommer du carbone ancien et vont en transformer une partie en CO2. Cela a donc un effet négatif », rajoute Christine Hatté.
L’étude de Markus Kléber a également montré qu’en modifiant les sols en profondeur, on pouvait déstocker du carbone de ses couches plus stables et produire ainsi plus de CO2. Une autre de 2013 a étudié en particulier le transport vertical de la matière organique dans ces couches profondes [11]. « Ces publications ont montré qu’un nouvel apport de matière organique pouvait bien être stocké dans le sol mais qu’elle pouvait se loger justement là où une autre plus ancienne disparaissait. Ce qui, en terme de séquestration, c’est-à-dire de stockage de longue durée, n’est pas favorable », analyse Christine Hatté.

Disponibilité en azote et son interaction avec le carbone

De plus, plusieurs équipes de chercheurs ont comparé des études menées sur l’impact de l’apport d’azote sur les stocks de carbone, en en compilant jusqu’à une soixantaine [1A, p. 211] [1B] [12] [13]. Ils ont observé que la disponibilité en azote (N) favorise la croissance des plantes et augmente le stockage du carbone (C). Celui-ci peut atteindre jusqu’à 1,1 Gt de C par an [14, tableau 2].

Pour éviter un apport encore plus important en fertilisants azotés, sources de nitrates [VII] et de protoxyde d’azote (N₂O), un gaz à effet de serre, on peut avoir recours  aux légumineuses [VIII], des plantes riches en composés azotés, fixant l’azote de l’atmosphère, qui conduisent également à une augmentation du stock de C organique dans les sols [1A, p. 199] [1B] [15].

Cependant, une étude de 2018 montre que, même dans ce dernier cas, la saturation progressive du sol en carbone fait, qu’au bout d’une vingtaine d’année, le gain représenté par son stockage annuel (voir figure ci-dessous) est peu à peu annulé par les émissions associées de N₂O elles-mêmes en augmentation, et, qu’au bout d’une quarantaine d’années, la moitié des profils de sols modélisés deviennent une source nette de gaz à effet de serre. Ils concluent qu’un stockage important de carbone peut être obtenu dans les 20-30 premières années pour toute forme de gestion du C, mais qu’après les apports d’azote doivent être contrôlés suivant des bonnes pratiques [16] [IX].

« La disponibilité en azote permet de fabriquer des acides aminés. Si un sol est pauvre pour ce nutriment, détaille Bertrand Guenet, cela peut limiter la décomposition de la litière et donc il y a moins de stockage de carbone dans le sol. Or les schémas du GIEC ne prennent pas toujours en compte les interactions entre carbone et azote. L’hypothèse étant que les conditions du système ne changent pas ou seulement de manière négligeable ».

Augmentation non maîtrisée de la production agricole

L’augmentation de la population mondiale de 7,3 milliards d’habitants à 9,7 mds d’ici 2050, demanderait, d’après la FAO et sans gouvernance alternative, de produire alors 1 Gt de céréales et 0,2 Gt de viandes en plus. Cela pourrait provoquer une mise en culture supplémentaire de sols (jusqu’à 8,36 millions de km², soit la surface d’un pays comme le Brésil) [5, page 21A] ou une intensification de l’utilisation de ceux déjà cultivés. Alors le risque serait de franchir un « peak soil » [17] jusqu’à leur dégradation et érosion accélérée (voir la pente descendante de la courbe initialement à gauche du graphique ci-dessous)  pouvant devenir irréversible.

Pour éviter ce scénario pessimiste tendanciel, correspondant à celui RCP 8.5, il faut assurer une meilleure gestion et répartition d’une alimentation devant devenir plus végétalienne, alors que, selon un rapport du Programme des Nations unies pour l’environnement (PNUE) de 2009, en 2000, sur 4600 kcal produites en moyenne par habitant et par jour, seules 2000 étaient disponibles pour la consommation moyenne [B, figure 12 page 30] des 6,1 milliards d’habitantsque portait alors  la terre [C][X] [XI], dont 842 millions souffraient de la faim [D] [d].

Pour cela, il faudrait dès maintenant réduire le gaspillage alimentaire [17, mesure f page 1028] de 30 à 50%, diminuer la consommation de viande (4 à 11 calories ou 6 à 8 kg de céréales produisent  respectivement une calorie ou un kg de viande [XII]), promouvoir des changements de régime alimentaire vers des aliments végétaux [18, mesure g page 1028], régionaliser le commerce agricole [5, page 22A].et améliorer la gestion des sols augmentant leur matière organique carbonée stabilisée (voir la pente ascendante de la courbe de la figure ci-dessous). Ceci dans le cadre d’une mise en œuvre ambitieuse de l’Accord climat de Paris [XIII] et des Objectifs de développement durable de l’ONU 2 (faim) et 15 (vie terrestre), notamment 2.4 (améliorer la qualité du sol et de la terre) et 15.3 (enrayer et inverser le processus de dégradation des sols) [XIV].

L’urgence de telles mesures a été bien soulignée dans le deuxième appel « L’alerte des scientifiques du monde à l’humanité », signé en novembre 2017 par plus de 15 000 scientifiques et concluant : « il sera bientôt trop tard pour dévier de notre trajectoire vouée à l’échec et le temps presse » afin d’éviter « une misère généralisée » [18] [XV].

Potentiel maximum de stockage du carbone dans les sols

« Il est encore difficile de savoir, lorsqu’on stocke du carbone, si cette action est pérenne. On ne sait pas non plus de combien on peut augmenter le stockage de sols déjà proches de la saturation, comme ceux des forêts par exemple », note Christine Hatté.

Les observations de terrain montrent en effet que le taux de stockage diminue rapidement avec le temps (voir taux et durée de fonctionnement du puits de carbone du graphique ci-dessous).

Une étude d’Alan Franzluebbers a observé que, 10 ans après la conversion d’une culture en prairie permanente, son taux de stockage dans le sol à 20 cm de profondeur diminuait de moitié, pour tomber à un quart au bout de 20 ans et pratiquement devenir nul 50 ans après [19] [20]. Il s’agit pourtant de la conversion de terre la plus efficace pour l’absorption du carbone. Une autre de 2018, basée sur des observations de long terme (jusqu’à 157 ans) au Royaume-Uni, observant les effets d’apports annuels de matière organique et de fertilisation azotée et également ceux de conversions de terres cultivées en pâturages ou forêts, sur 114 sites expérimentaux, confirme une chute importante du stockage annuel de carbone au-delà de 60-80 ans. Elle arrive à la conclusion qu’il y a des limitations importantes à arriver aux objectifs de l’initiative « 4 pour 1000 » sur de larges territoires agricoles [21].

« Les exercices d’inter-comparaison avec ces nouveaux schémas de représentation du sol ne sont pas encore terminés ni donc intégrés dans les modèles actuels », temporise Bertrand Guenet. Ces nouvelles données ne seront donc pas toutes incluses dans le futur rapport du GIEC [E], certains modèles devant encore être testés un nombre considérable de fois. « Les spécialistes ont commencé il y a 15 ans à remettre en question leur représentation du sol dans les modèles systèmes Terre, cela prend du temps », observe le chercheur.

4. Effet du réchauffement au XXIe siècle sur le stockage du carbone dans les sols

Jusqu’à 40% de stockage en moins de carbone dans les sols d’ici 2100

L’équipe de Yujie He a ensuite travaillé à un scénario d’un accroissement continu de la concentration atmosphérique de CO₂ tout au long du XXIe siècle (scénario RCP 8.5, voir tableau ci-dessus), en prenant en compte leurs nouvelles observations (voir paragraphe « Le carbone a été beaucoup moins stocké dans le sol depuis 1750 qu’estimé par le GIEC »). Celui-ci signifie que le GIEC a surestimé de 40 % la capacité de stockage du carbone dans les sols d’ici 2100 [6].

D’autres études en cours estiment quelle pourrait être la capacité de stockage du sol. Bertrand Guenet les détaille : « Avec les nouveaux schémas de sol, et le scénario RCP 2.6,  nous observons 50% de stockage en moins par rapport à la version précédente. Pour le scénario RCP 8.5, c’est plus compliqué, l’effet est un peu amorti ». 

Le réchauffement pourrait même déstocker le carbone du sol d’ici 2050

« Car en 2050, poursuit le chercheur, la température serait dans un tel cas tellement élevée que cela augmenterait la décomposition de la matière organique. Le stock de carbone contenu dans les sols diminuerait, et, sans y passer, le carbone resterait plutôt dans l’atmosphère. Il y aurait moins d’échanges que prévu jusque-là ».

 Une étude, également de 2016, a cherché à quantifier la perte de carbone du sol que pourrait provoquer le réchauffement d’ici 2050. Elle aussi se base sur l’accélération de l’activité des organismes vivants dans le sol (micro-organismes, en particulier microbes, mais également végétaux et animaux) à cause du réchauffement. Elle s’est basée sur 49 profils de sols expérimentaux de 10 cm de profondeur sur six biomes [e] différents (allant du permafrost arctique aux régions sèches méditerranéennes), chacun d’eux ayant un témoin à température ambiante et un autre réchauffé artificiellement. Suivant l’hypothèse que l’effet du réchauffement impacte entièrement le sol au bout d’un an, elle montre que là où les stocks initiaux de carbone sont très importants (supérieurs à 7 kg C/m²), dans les zones du permafrost arctique (voir article Le carbone du pergélisol en dégel augmentera le réchauffement climatique) mais également ailleurs, les pertes de carbone par respiration des organismes (émission de CO₂) deviennent considérables, dépassant largement la production végétale captant le CO₂, alors que l’effet du réchauffement est négligeable là où ils sont faibles (<2 kg C/m²) [22].

Ils calculent ainsi que pour 1°C de réchauffement en 2050, alors que la température moyenne globale de l’année 2016 a été de 1,1°C supérieure à celle de 1850 [F], 30 Gt (+- 30) de carbone environ pourraient être relâchés du sol. Etant donné que e scénario de fortes émissions (RCP 8.5) estime que le réchauffement moyen du sol sera d’environ 2°C en 2050, le relargage dans l’atmosphère serait d’environ 55 Gt C (+-50) correspondant à une augmentation de sa concentration atmosphérique d’environ  25 ppm (55*0,47) [22].

5. Changer les pratiques de culture et d’utilisation des sols

« Le stockage du carbone dans le sol, comme l’agroforesterie (l’insertion d’arbres dans les grandes cultures) ou le reboisement de zones déboisées, peuvent contribuer à atténuer le changement climatique. Ces techniques agronomiques permettent de capturer du CO2 dans l’atmosphère, par la photosynthèse, et de le piéger dans le sol, via la litière et les exsudats excrétés par les racines, suffisamment longtemps pour réduire l’effet de serre de manière durable. Les zones tempérées étaient couvertes de forêts et on y met l’accent sur l’arbre car il y croît facilement et est favorable aux cultures : il protège du vent, donne de l’ombre, limite l’évaporation, ce qui limite la consommation d’eau, apporte de la matière organique… » Christine Hatté

Dans le cadre d’une agro-écologie adaptée aux changements climatiques et pour stocker le carbone de manière pérenne quand cela est possible, il est important d’améliorer l’usage que nous faisons des sols et les pratiques de culture, notamment par l’agroforesterie et l’augmentation du couvert végétal via les associations de cultures, dans le choix des espèces cultivées et leur rotation [1A, p. 211] [1B] ou dans la conservation des herbes considérées comme mauvaises pour elles, etc. Les apports végétaux racinaires contribuent très largement aux entrées de carbone organique susceptibles d’être stabilisées dans le sol si les ressources nutritives, notamment azotées, sont suffisantes et si les activités des microorganismes qui s’y associent sont efficaces énergétiquement, c’est à dire produisant moins de CO₂ et de CH₄ [1A, p. 215] [1B] qu’ils ne fabriquent de nouvelles chaines carbonées stockables de manière pérenne. De manière générale, il s’agit plus de refaire comme la nature, d’observer les associations et les équilibres pour tendre vers un système qui leur serait conforme.

Un temps fort pour mettre à jour les connaissances et se mobiliser pour une mise en œuvre ambitieuse de l’Accord de Paris et une prise en compte de tous les facteurs concernant la problématique du carbone des sols sera la deuxième étape du sixième cycle d’évaluation du GIEC, consistant en la publication en août 2019 de son rapport spécial « Changement climatique et terres émergées », sur le changement climatique, la désertification, la dégradation des sols, la gestion durable des terres, la sécurité alimentaire et les flux de gaz à effet de serre dans les écosystèmes terrestres [E].