Drought increases soil nitrous oxide emissions and nitrogen availability under plant cover in arable soils

L'air que nous respirons contient un acteur silencieux et invisible dans l'histoire du climat : le protoxyde d'azote. Si le dioxyde de carbone occupe souvent les gros titres pour son rôle dans le réchauffement de la planète, cet autre gaz est bien plus puissant pour piéger la chaleur, molécule par molécule. Il s'échappe du sol, principalement comme un sous-produit de la façon dont les microbes décomposent l'azote, un nutriment essentiel à la vie des plantes. Les agriculteurs ajoutent de l'azote dans leurs champs pour aider les cultures à pousser, mais lorsque cet azote reste inutilisé dans le sol, les microbes peuvent le transformer en protoxyde d'azote, qui s'élève ensuite dans l'atmosphère. Pendant des décennies, les scientifiques ont compris que l'eau joue un rôle massif dans ce processus. Lorsque le sol est humide, l'oxygène est rare, et les microbes passent à un mode qui produit davantage de ce gaz. Lorsque le sol est sec, le processus ralentit généralement, et les émissions chutent. Mais alors que le climat change, apportant des sécheresses estivales plus fréquentes et intenses dans des endroits comme l'Europe du Nord, une nouvelle question a émergé : cette règle simple est-elle toujours vraie lorsque les plantes poussent dans ce sol sec ?

Une équipe de chercheurs de l'Université d'Helsinki s'est donné pour mission de répondre à cela en créant un monde contrôlé à l'intérieur d'une serre. Ils voulaient voir comment la présence de plantes vivantes modifie l'histoire du protoxyde d'azote lorsque le sol s'assèche. Ils ont rempli des pots avec de la terre argileuse collectée sur une ferme de recherche et ont mis en place une expérience simple. Certains pots ont été laissés complètement nus, représentant un sol sans végétation. D'autres ont été plantés d'avoine, une culture courante. Certains de ces pots d'avoine contenaient également une seconde plante, soit du ray-grass italien, soit de la luzerne, pour voir si différentes combinaisons de plantes faisaient une différence. La moitié de ces pots ont été maintenus humides, simulant une saison de croissance normale, tandis que l'autre moitié a été laissée à sécher pour simuler une sécheresse. Les chercheurs ont ensuite observé attentivement, mesurant la quantité de protoxyde d'azote qui s'échappait du sol pendant près de six semaines, tout en suivant la quantité d'azote que les plantes absorbaient et ce qu'il advenait de l'azote restant dans la terre.

Les résultats ont révélé un rebondissement surprenant dans la relation entre les plantes, la sécheresse et les émissions. Dans les pots sans plantes, le sol sec se comportait exactement comme prévu : le manque d'eau a ralenti les microbes, et la quantité de protoxyde d'azote libérée a chuté de manière spectaculaire, diminuant de près de 80 % par rapport au sol humide. Cependant, l'histoire était totalement différente dans les pots avec des plantes. Lorsque le sol s'est asséché, les plantes n'ont pas empêché le gaz de s'échapper ; au contraire, les émissions provenant du sol végétalisé ont en réalité augmenté, passant à deux ou quatre fois plus que dans les conditions humides. C'était une découverte contre-intuitive, suggérant que la présence de racines vivantes change fondamentalement la façon dont le sol réagit à un manque d'eau.

Pour comprendre pourquoi cela s'est produit, les chercheurs ont regardé plus profondément dans la chimie du sol. Ils ont découvert que dans le sol nu et sec, l'azote restait simplement là, inutilisé et verrouillé. Mais dans le sol sec avec des plantes, quelque chose de différent s'est produit. Les plantes continuaient à absorber l'azote, mais la sécheresse semblait également altérer la façon dont les microbes le traitaient, entraînant une accumulation d'une forme spécifique d'azote appelée nitrate. Même si les plantes continuaient de croître et d'absorber des nutriments, la combinaison de cet excès de nitrate et du carbone que les plantes libéraient de leurs racines a créé une tempête parfaite pour que les microbes produisent plus de protoxyde d'azote. Les plantes n'avaient pas arrêté la formation du gaz ; elles avaient par inadvertance fourni le carburant pour que celui-ci augmente lorsque l'eau disparaissait.

L'étude a également examiné si le type de plante importait. Ils ont comparé l'avoine poussant seule à l'avoine mélangée au ray-grass ou à la luzerne. Bien que les différentes plantes aient montré de légères variations dans la quantité d'azote qu'elles puisaient dans le sol, le schéma général restait le même : toute couverture végétale réduisait les émissions par rapport au sol nu, mais la sécheresse provoquait une hausse des émissions dans tous les traitements végétalisés. Les chercheurs ont noté que la luzerne, qui peut fixer son propre azote à partir de l'air, ne s'est pas comportée de manière radicalement différente des graminées dans cette expérience à court terme, probablement parce que les plantes étaient encore jeunes et n'avaient pas encore établi des systèmes racinaires complexes. Le facteur dominant était simplement la présence de végétation par rapport à la terre nue, et le passage d'un état humide à un état sec.

Ces conclusions remettent en question l'hypothèse selon laquelle la sécheresse entraîne toujours des émissions plus faibles. Si un sol nu et sec supprime effectivement le rejet de protoxyde d'azote, ces mêmes conditions sèches peuvent déclencher un pic d'émissions si des plantes sont présentes. Les chercheurs suggèrent que cela se produit parce que les plantes maintiennent le sol vivant avec du carbone, et que la sécheresse provoque une accumulation de nitrate que les microbes convertissent ensuite en gaz. Cela a des implications importantes pour la gestion des terres. Si un champ est laissé nu pendant une période sèche, il pourrait émettre moins de gaz, mais dès qu'il pleuvra à nouveau, cet nitrate accumulé pourrait être libéré dans une impulsion massive. Inversement, maintenir des plantes en croissance, même pendant les périodes sèches, aide à verrouiller cet azote dans la biomasse végétale, empêchant ainsi son accumulation dans le sol. L'étude suggère que le maintien d'une bonne croissance des plantes est une stratégie clé pour maintenir les niveaux de protoxyde d'azote bas, non seulement pendant les saisons humides, mais surtout lorsque le temps devient sec.

L'expérience a été menée sur une période de 39 jours, ce qui est un temps relativement court dans la vie d'une plante ou d'un écosystème de sol. Les chercheurs ont reconnu que ces résultats reflètent les premières étapes de la croissance et que la dynamique pourrait changer à mesure que les plantes mûrissent et que leurs systèmes racinaires deviennent plus complexes. Ils ont également noté que si leur environnement contrôlé en serre leur a permis d'isoler les effets de la sécheresse et de la couverture végétale, les champs du monde réel sont soumis au vent, aux fluctuations de température et à d'autres variables qui pourraient altérer le résultat. Néanmoins, les données fournissent une image claire d'un mécanisme qui était auparavant négligé : les plantes ne font pas que rester passivement dans le sol ; elles remodèlent activement l'environnement chimique et, ce faisant, elles peuvent transformer une sécheresse d'un suppresseur d'émissions en un déclencheur pour celles-ci.

La leçon plus large est celle de l'équilibre. L'agriculture repose sur la gestion de l'azote pour nourrir les cultures, mais cet azote est aussi une source de puissants gaz à effet de serre. L'étude souligne que la solution n'est pas simplement de laisser les champs en jachère pendant les périodes sèches, ni de supposer qu'un sol sec est toujours un refuge sûr contre les émissions. Au contraire, la présence d'une végétation saine et en croissance agit comme un tampon, absorbant l'azote qui, autrement, resterait dans le sol en attendant d'être converti en gaz. En veillant à ce que les cultures s'établissent bien et continuent de croître même sous un stress hydrique, les agriculteurs pourraient être en mesure de réduire le risque de libérations soudaines et massives de protoxyde d'azote lorsque les pluies reviendront finalement. Ce travail ajoute une nouvelle couche à notre compréhension du sol, montant que l'interaction entre les racines des plantes et la terre sèche est une danse complexe de chimie qui détermine quelle quantité de gaz piégeant la chaleur s'échappe dans notre atmosphère.