In-soil CH4 partial pressure and diffusive emissions in flooded soils: effects of labile carbon and microbial inoculation
Cette étude introduit un système de bobine de silicone sans plante pour démontrer que l'apport en carbone labile, plutôt que l'abondance des méthanogènes, contrôle la pression partielle du méthane dans le sol et les émissions diffuses dans les sols inondés, à condition que les mesures soient effectuées avant que la formation de bulles ne découple ces variables.
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Dans les champs gorgés d'eau où pousse le riz, un drame chimique silencieux se joue sous la surface. Lorsque le sol est submergé, l'oxygène est coupé, créant un environnement où des microbes spécifiques prospèrent. Ces microbes, connus sous le nom de méthanogènes, se repaissent de matières végétales en décomposition et d'autres matières organiques, libérant du méthane comme produit résiduel. Ce gaz est un puissant gaz à effet de serre, contribuant de manière significative au réchauffement climatique. Pendant des décennies, les scientifiques ont compris que la quantité de méthane libérée dépend de trois facteurs principaux : la quantité de nourriture disponible pour ces microbes, le nombre de microbes présents, et la quantité d'oxygène à proximité pour les stopper. Les plants de riz jouent un rôle complexe dans ce processus ; leurs racines libèrent de l'oxygène dans le sol, ce qui peut supprimer la production de méthane, mais elles constituent également une autoroute pour l'échappement du gaz vers l'air. Pour créer des variétés de riz qui émettent moins de méthane, les chercheurs doivent comprendre exactement comment ces facteurs interagissent, mais l'étude de ces derniers dans un champ réel est difficile car le sol n'est jamais uniforme, et les plantes elles-mêmes compliquent les mesures.
Pour démêler ces variables, une équipe de chercheurs a conçu une expérience contrôlée qui a supprimé entièrement les plantes. Ils ont installé une série de pots remplis d'un mélange de sable et de terre de limon, inondés d'eau pour imiter une rizière. Au lieu de planter du riz, ils ont inséré des tubes de silicone flexibles profondément dans le sol. Ces tubes servaient de capteurs artificiels et de systèmes de distribution de gaz. Comme le silicone est perméable aux gaz, l'air piégé à l'intérieur du tube s'équilibrait naturellement avec les gaz dissous dans l'eau environnante, permettant aux scientifiques de mesurer la pression du méthane qui s'accumulait dans le sol sans perturber l'environnement. Ils ont également utilisé ces mêmes tubes pour pomper de l'air ou de l'oxygène pur dans le sol, simulant la libération d'oxygène que les racines du riz fournissent normalement. L'équipe a créé trois conditions de sol différentes pour tester leurs idées : un sol témoin de base, un sol mélangé à de l'amidon de pomme de terre pour fournir une nourriture facile à consommer pour les microbes, et un sol mélangé à de l'amidon plus une pelletée de sédiments provenant d'un lac connu pour être riche en microbes producteurs de méthane.
Les chercheurs voulaient voir si l'ajout de plus de microbes ou de plus de nourriture changerait la quantité de méthane produite et libérée. Ils s'attendaient à ce que le sol avec le sédiment du lac contienne le plus de méthane car il commençait avec une population plus importante des bons microbes. Cependant, les résultats ont raconté une histoire différente. Bien que le sol avec le sédiment du lac contienne effectivement plus de microbes producteurs de méthane, la quantité de gaz méthane qui s'est accumulée dans le sol était déterminée presque entièrement par l'apport de nourriture. Les pots avec l'ajout d'amidon produisaient des niveaux élevés de méthane, quel que soit le nombre de microbes de départ. Les pots sans amidon produisaient très peu, même s'ils contenaient certains microbes naturels. Cette découverte suggère que dans ces sols inondés, la disponibilité de matière organique fraîche et facilement digestible est le principal moteur de la production de méthane, et non le nombre initial de microbes présents. Les scientifiques ont conclu qu'une fois qu'un niveau de base de microbes existe, l'ajout de plus de microbes n'augmente pas la production de méthane s'il n'y a pas de nourriture supplémentaire pour les soutenir.
L'étude a également révélé une limite critique à la façon dont le méthane se déplace du sol vers l'air. Pendant longtemps, les scientifiques ont supposé que mesurer la pression du méthane dans le sol permettait de dire directement quelle quantité de gaz s'échappait dans l'atmosphère. Les chercheurs ont découvert que cela n'était vrai que lorsque la pression du méthane était relativement basse, spécifiquement en dessous d'environ 16 kilopascals. Dans cette plage, le gaz dissous dans l'eau se déplaçait régulièrement vers la surface. Une fois que la pression dépassait ce seuil, la relation se brisait. Le méthane commençait à former des bulles dans le sol, montant rapidement et s'échappant par saccades plutôt que de circuler de manière fluide. Ces bulles, un processus appelé ébullition, signifiaient que le sol pouvait contenir une pression de méthane massive sans la libérer par la diffusion lente et régulière que les chercheurs mesuraient. En fait, à la fin de l'expérience, la pression du sol était montée à près de 60 kilopascals dans tous les pots actifs, pourtant le flux constant de gaz vers la surface était retombé à presque zéro. Le gaz attendait simplement d'être libéré lors de sursauts soudains et non mesurés.
Enfin, l'équipe a testé comment l'oxygène affectait ce système. En pompant de l'air ou de l'oxygène pur à travers les tubes de silicone, ils ont réussi à abaisser la pression du méthane dans le sol. Étonnamment, pomper de l'oxygène pur n'était pas plus efficace que de pomper de l'air normal ; les deux réduisaient la pression du méthane à environ un tiers de ce qu'elle était dans les pots scellés. Cela indique qu'une petite quantité d'oxygène est suffisante pour arrêter les microbes producteurs de méthane ou pour encourager d'autres microbes à manger le méthane avant qu'il ne puisse s'échapper. L'expérience a confirmé que le système de tube en silicone est un outil puissant pour isoler les effets de l'oxygène des effets de l'apport de nourriture. En utilisant ces tubes artificiels, les chercheurs pouvaient étudier comment l'oxygène se déplace dans le sol sans la complication de vraies racines de plantes fournissant leur propre nourriture ou modifiant la structure du sol.
Les implications de ces découvertes sont significatives pour les efforts visant à créer un meilleur riz. L'étude suggère que lorsqu'on examine de nouvelles variétés de riz pour des émissions de méthane faibles, les scientifiques devraient se concentrer sur la mesure des conditions du sol avant que la pression du méthane ne devienne assez élevée pour former des bulles. Si les mesures sont prises trop tard, les données seront trompeuses car le gaz s'échappe par saccades plutôt que par un flux régulier. De plus, la recherche indique que les traits les plus importants à rechercher dans les racines du riz ne sont pas nécessairement la vitesse à laquelle elles libèrent l'oxygène, mais plutôt la surface de contact qu'elles ont pour interagir avec le sol et la force de leurs barrières pour contrôler cet échange. L'étude précise également que le simple ajout de plus de microbes producteurs de méthane dans un champ n'augmentera pas nécessairement les émissions si l'apport de nourriture est limité, et inversement, que la présence de ces microbes n'est pas le facteur limitant lorsque le carbone organique frais est abondant. En comprenant ces seuils et moteurs spécifiques, les scientifiques peuvent développer des modèles plus précis et des programmes de sélection pour réduire l'impact climatique de la riziculture.
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