Decomposition of Soil Organic Matter under a Changing Climate - INRAE - Institut national de recherche pour l’agriculture, l’alimentation et l’environnement Access content directly
Theses Year : 2016

Decomposition of Soil Organic Matter under a Changing Climate

Décomposition de la matière organique du sol sous l'effet du changement climatique

Abstract

Soil organic matter is the largest carbon (C) pool in the terrestrial C cycle, and soil CO 2 emissions surpass anthropogenic emissions from fossil fuel combustion by a factor of nine. Therefore, mechanisms controlling C stabilisation in soils and its feedback to climate change are widely debated. During decomposition, microbial substrate-use efficiency is an important property because it determines the allocation of substrate C to biosynthesis and respiratory losses. High efficiency values indicate that C primarily remains in soils while low efficiency implies that C is primarily lost into the atmosphere. Despite empirical evidence that efficiency is temperature sensitive, traditional Earth system models treat this property as a constant. The aim of this thesis was to improve our mechanistic understanding of drivers regulating substrate-use efficiency with special consideration to climate change. It investigated the impacts of (i) temperature, (ii) microbial community composition and (iii) substrate quality on substrate-use efficiency. Within the thesis, a microbial energetics approach was applied and further developed using isothermal calorimetry. Further, the thesis compared common approaches for measuring microbial substrate- use efficiency, and the implications of the resultant empirical data for projected C stocks were tested using a modelling approach. Substrate-use efficiency was generally temperature sensitive and decreased with increasing temperature. The observed temperature responses were non-linear and varied across land use management systems. The changes in substrate-use efficiency with temperature were driven rather by changes in microbial physiology than by shifts in active microbial communities. Nevertheless, fungi and Gram-negative bacteria tended towards relatively higher efficiencies. Efficiencies varied among utilised substrates, but substrate quality per se was a poor proxy for efficiency. Projected losses from soil C stocks varied across land use management systems and were up to 39 % and 15 % for grassland and forest systems, respectively. Results from the modelling approach confirmed that substrate-use efficiency is one of the factors to which soil C stocks react most sensitively. Findings from this thesis emphasise the importance of furthering our understanding of substrate-use efficiency for reliable climate projections.
La matière organique du sol est le plus grand réservoir de carbone (C) dans le cycle terrestre du C, et les émissions de CO 2 du sol dépassent les émissions anthropiques provenant de la combustion de combustibles fossiles d'un facteur de 1,5. des sols dépassent de neuf fois les émissions anthropiques provenant de la combustion de combustibles fossiles. neuf. Par conséquent, les mécanismes contrôlant la stabilisation du carbone dans les sols et sa rétroaction sur le changement climatique sont largement débattus. changement climatique sont largement débattus. Au cours de la décomposition, l'efficacité microbienne d'utilisation du substrat est une propriété importante car elle détermine l'efficacité de la décomposition. microbienne est une propriété importante car elle détermine l'allocation du substrat C du substrat à la biosynthèse et aux pertes respiratoires. Des valeurs d'efficacité élevées indiquent que le C reste principalement dans les sols, tandis qu'une faible efficacité implique que le C est principalement perdu dans l'atmosphère. l'atmosphère. Malgré les preuves empiriques que l'efficacité est sensible à la température, les modèles traditionnels du système terrestre traitent cette propriété comme une constante. L'objectif de cette thèse était d'améliorer notre compréhension mécanique des facteurs qui régulent l'efficacité de l'utilisation du substrat à l'aide de modèles spéciaux. régulant l'efficacité de l'utilisation des substrats, avec une attention particulière pour le changement climatique. Elle a Elle a étudié les impacts de (i) la température, (ii) la composition de la communauté microbienne et (iii) la qualité du substrat sur l'efficacité d'utilisation du substrat. (iii) de la qualité du substrat sur l'efficacité d'utilisation du substrat. Dans le cadre de la thèse, une approche de l'énergétique microbienne a été appliquée et approfondie. énergétique microbienne a été appliquée et développée à l'aide de la calorimétrie isotherme. En outre, la thèse a comparé les approches courantes pour mesurer l'efficacité de l'utilisation du substrat microbien, et les implications de la calorimétrie isotherme. et les implications des données empiriques résultantes pour les stocks de C ont été testées à l'aide d'une approche de modélisation. L'efficacité d'utilisation du substrat était généralement sensible à la température et diminuait avec l'augmentation de la température. avec l'augmentation de la température. Les réponses observées à la température n'étaient pas linéaires et variaient en fonction des systèmes de gestion de l'utilisation des sols. et variaient selon les systèmes de gestion de l'utilisation des terres. Les changements dans l'efficacité de l'utilisation du substrat en fonction de la température étaient plutôt dus à des changements dans l'activité microbienne. Les changements dans l'efficacité d'utilisation du substrat en fonction de la température étaient plutôt dus à des changements dans la physiologie microbienne qu'à des changements dans les communautés microbiennes actives. communautés microbiennes actives. Néanmoins, les champignons et les bactéries Gram-négatives ont eu tendance à atteindre des efficacités relativement plus élevées. vers des efficacités relativement plus élevées. Les efficacités varient selon les substrats utilisés, mais La qualité du substrat en tant que telle n'est pas un bon indicateur de l'efficacité. Les pertes prévues de stocks de C du sol varient selon les systèmes de gestion de l'utilisation des terres et atteignent respectivement 39 % et 15 % pour les prairies et les forêts. respectivement pour les prairies et les forêts. Les résultats de l'approche de modélisation ont confirmé que l'efficacité de l'utilisation des substrats est l'un des facteurs auxquels les stocks de carbone dans le sol réagissent de la manière la plus sensible. les plus sensibles. Les résultats de cette thèse soulignent l'importance d'approfondir notre compréhension de l'efficacité de l'utilisation des substrats pour des systèmes fiables et durables. compréhension de l'efficacité de l'utilisation des substrats pour des projections climatiques fiables.
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Tobias Bölscher. Decomposition of Soil Organic Matter under a Changing Climate: A Matter of Efficiency. Environmental Sciences. SLU Swedish University of Agricultural Sciences, 2016. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04121789⟩

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