Faculté des sciences

The impact of oxalogenic plants on soil carbon dynamics : formation of a millennium carbon storage as calcium carbonate

Ferro, Katia Imeria ; Verrecchia, Eric (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2012.

Au sud du Burkina Faso, des milliers d’années de pédogénèse ont produit des «Plinthic Ferralsols Arenic» (suivant la WRB). Il a toutefois été observé que sous l’influence d’arbres oxalogènes tels que Milicia excelsa, Afzelia africana et Bombax costatum, les sols évoluent vers des «Ferralic Calcisols Arenic» (selon la WRB) en quelques décennies. Il est... Plus

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    Résumé
    Au sud du Burkina Faso, des milliers d’années de pédogénèse ont produit des «Plinthic Ferralsols Arenic» (suivant la WRB). Il a toutefois été observé que sous l’influence d’arbres oxalogènes tels que Milicia excelsa, Afzelia africana et Bombax costatum, les sols évoluent vers des «Ferralic Calcisols Arenic» (selon la WRB) en quelques décennies. Il est admis que le moteur de cette accumulation carbonatée est l’oxalotrophie bactérienne, qui crée une pompe à carbone entre l’atmosphère et les sols.
    Les buts de ce travail sont (1) de dresser un bilan de carbone, (2) de modéliser son accumulation et (3) de calculer un temps de résidence du carbone minéral dans le sol sous les arbres. Les échantillons ont été prélevés dans cinq profils à proximité d’arbres oxalogènes et un dans un sol de référence, hors de leur influence. Les teneurs en carbone organique total, en oxalates et en carbonates ont été ensuite mesurées. Les principaux outils utilisés pour quantifier ces trois formes de carbone ont été respectivement la pyrolyse Rock-Eval, la digestion enzymatique (Trinity-Biotech) et la titration en retour après dissolution acide des carbonates.
    L’analyse de la matière organique indique que le carbone organique total évolue de manière quantitative et qualitative depuis les feuilles jusqu’aux horizons minéraux. Le stock de carbone organique est intégré dans les bio-molécules dans les horizons de surface (A) et dans les géo-molécules plus stables dans les horizons minéraux (B et C).
    Cette étude montre que la quantité en oxalates dans les feuilles (considérées comme un premier réservoir d’oxalate) est de 20 x 10-2 mg/g de matière sèche. A cette source peut être ajoutée celle des champignons excréteurs d’acide oxalique. En effet, par la mise en culture d’échantillons de sol, les espèces oxalogènes suivantes ont été identifiées: Aspergillus sp., Fusarium sp. et Mucor sp..
    Malgré ces deux apports d’oxalate (feuilles et champignons), la concentration mesurée dans les sols reste faible, ne dépassant pas 6.5 x 10-3 mg d’oxalate/g de sol à un instant t. Ceci-ci peut être expliqué par l’efficacité de l’oxydation bactérienne des oxalates menant à la précipitation de calcite faiblement magnésienne. En effet cette dernière, non présente dans les feuilles fraîches, a été observée dans la litière et les sols où les concentrations peuvent atteindre 15% de la masse totale.
    Ces résultats ont permis de construire un premier modèle proposant que (1) la teneur en carbonates doublerait chaque 30 ans, (2) entre 70 et 170 ans l’accumulation en carbonates serait telle que le sol pourrait être cimenté, et (3) le temps de résidence du carbone pourrait aisément dépasser 4000 ans.
    Summary
    South of Burkina Faso, thousands of years of pedogenesis have resulted in “Plinthic Ferralsols (Arenic)” (according to the WRB). However, it is observed that under the influence of oxalogenic trees, such as Milicia excelsa, Afzelia africana, and Bombax costatum, the soil evolves into a “Ferralic Calcisol (Arenic)” in less a millenium. It has been proposed that the driving force of this carbonate accumulation is the bacterial oxalotrophy, which generates a carbon pump between the atmosphere and the soil.
    The principal goals of this work are (1) to provide a carbon balance, (2) to propose a model of the carbonate accumulation, and (3) to estimate the residence time of the inorganic carbon in the soil under the trees. Samples were taken from five profiles near the considered oxalogenic trees and a reference soil beyond their respective influence. Contents of total organic carbon, oxalate, and carbonate were measured. The main tools used to quantify these three different forms of carbon were the Rock-Eval pyrolysis, enzymatic digestion (Trinity Biotech), and back titration after acid dissolution of carbonate.
    Analysis of organic matter indicates that the total organic carbon evolves both quantitatively and qualitatively from leaves to mineral horizons. The stock of organic carbon is incorporated in the bio-molecules at the surface horizons (A) and in stable geo-molecules in mineral horizons (B and C).
    This study shows that the amount of oxalates in leaves (considered as a first oxalate reservoir) is of 20 x 10-2 mg / g of dry matter. Oxalogenic fungi may also have to be added to this source. Indeed, by culturing soil samples, the following oxalogenic strains were identified: Aspergillus sp., Fusarium sp. and Mucor sp..
    Despite these contributions (leaves and fungi) of oxalate, the concentration measured in the soil is low, never exceeding 6.5 x 10-3 mg oxalate / g of soil at any time t. This unexpected outcome may be explained by the efficiency of the bacterial oxidation of oxalate, leading to low magnesium calcite precipitation. Indeed, the latter, while not present in fresh leaves, was found in litter and soils, where its concentration can reach values as high as 15% of the soil total mass.
    All these results were finally used to propose a preliminary model suggesting that (1) the carbonate content is doubling every 30 years, (2) between 70 and 170 years the accumulation of carbonate is so significant that the soil may even become cemented, and (3) the residence time of carbon may easily exceed 4000 years.