Le cycle du carbone : Mesurer le flux du CO2 du sol

Par Robert Lessard, L. Dennis Gignac et Philippe Rochette

Traduction par Jocelyne Dickey

Enseigner les concepts en relation avec les problèmes environnementaux n’est pas toujours facile, car plusieurs composantes de base peuvent être abstraites, complexes ou invisibles. Tel est le cas du changement climatique et du réchauffement global. Les gaz à effet de serre sont virtuellement indétectables sans l’utilisation d’un équipement sophistiqué d’analyse de gaz, ce qui s’avère inaccessible pour la majorité des écoles primaires et secondaires. Pourtant, c’est difficile pour les étudiants de mettre en évidence les grandes quantités de gaz émis dans l’atmosphère. On leur explique que les concentrations de gaz à effet de serre augmentent et que ces changements ont une importance globale, puisqu’ils auront pour résultat le changement climatique. Cependant, pour plusieurs étudiants, l’atmosphère terrestre demeure réduite à une mystérieuse boîte noire. Une façon de démystifier ce concept est de faire en sorte que les étudiants puissent mesurer le flux, ou taux d’émission, du dioxyde de carbone (CO₂) du sol vers l’atmosphère.

L’activité que nous décrivons ici est conçue pour des étudiants du secondaire et a pour objectif de les familiariser avec un aspect du cycle global du carbone: la production de CO₂ par la respiration du sol. Il peut aussi être utilisé pour démontrer comment le sol peut devenir un puisard de carbone, réduisant ainsi sa concentration dans l’atmosphère et allégeant la tendance au réchauffement global. De plus, il propose une méthode pratique et bon marché pour mesurer les flux de CO₂ dans les sols.

Introduction au thème

La respiration du sol est définie comme la production de CO₂ due à deux processus: la rupture ou oxydation de la matière organique en carbone par les microorganismes du sol et la respiration des cellules des racines des plantes. Le taux de production de CO₂ est scientifiquement important parce qu’il nous donne une indication du taux de décomposition de la matière organique et de la quantité perdue de carbone du sol. Les mesures de la respiration du sol aident à déterminer la contribution du sol au bilan du CO₂ dans l’atmosphère.

Le carbone, un élément essentiel à la croissance des plantes, est obtenu de l’atmosphère par la photosynthèse. Cependant, quand les plantes meurent, leurs tissus riches en carbone retournent au sol et sont décomposés par les organismes vivants. La matière organique du sol est donc la somme des résidus organiques (animaux et plantes) dans différents degrés de décomposition. La matière organique améliore la qualité du sol, aide à prévenir l’écoulement, augmente son humidité et contribue à tempérer les fluctuations journalières de température dans les couches supérieures du sol. La matière organique du sol fonctionne aussi comme un énorme entrepôt de carbone : on estime que les organismes vivants représentent environ un quart de tout le carbone des écosystèmes terrestres, alors que les trois quarts restants sont emmagasinés dans la matière organique contenue dans les sols.

Le carbone du sol n’est pas accumulé pour toujours. Il est libéré quand la matière organique est décomposée par divers types d’organismes aérobiques qui utilisent le carbone pour leur propre croissance. Ce processus libère des nutriments qui peuvent être captés par les plantes, mais qui produit aussi du CO₂. Le taux d’activité microbienne et, par conséquent, de respiration du sol, est affecté par la température et l’humidité du sol, ainsi que par la quantité et la qualité de sa matière organique. Comme tous les organismes aérobiques dégagent du CO₂ comme résultat de la rupture des molécules organiques, et comme il peut y avoir des millions de ces organismes dans un volume aussi petit qu’une cuillérée de sol, la respiration du sol est une importante source de CO₂ atmosphérique, contribuant annuellement avec 100 billions de tonnes métriques au cycle global du carbone.

L’augmentation dans les niveaux de CO₂ atmosphérique depuis le début de la Révolution industrielle est due à la combustion des combustibles fossiles et aux changements dans l’utilisation du territoire. Les pratiques agricoles, généralement identifiées comme source de gaz à effet de serre, sont responsables d’environ dix pourcent des gaz à effet de serre émis par l’activité humaine dans la majorité des pays développés. La quantité de carbone retenu dans le sol ou perdu dans l’atmosphère dépend en grande partie de la méthode de culture utilisée.

Quand on laboure la terre, les résidus organiques frais sont intensément mêlés à la couche supérieure du sol. Sous ces conditions, l’activité microbienne augmente, ce qui a pour conséquence que la majeure partie du sol se convertit en CO₂ atmosphérique. Il y a aussi une perte nette de carbone quand les champs sont laissés en jachère. Ceci est dû en partie à l’augmentation de la température et à l’humidité du sol, qui accélèrent la décomposition et aussi au fait qu’on n’ajoute pas de carbone au sol durant l’année où il n’y a pas de culture.

Les pratiques correctes de gestion de la terre aident à conserver la matière organique du sol, inversant ainsi la tendance des sols à libérer leur carbone dans l’atmosphère. Une de ces pratiques est l’agriculture sans labourage qui consiste à semer une culture sur les résidus de la récolte de l’année antérieure. Différentes études démontrent que l’établissement d’une couverture végétale permanente contribue à maintenir le carbone dans le sol. Par conséquent, en plus de réduire notre consommation de combustibles fossiles, la pratique d’une bonne gestion de la terre est une autre méthode de réduction de la concentration des gaz à effet de serre dans l’atmosphère au moyen de l’emmagasinage de dioxyde de carbone dans le sol comme matière organique.

Comme la respiration du sol joue un rôle important dans le cycle du carbone, sa mesure est une méthode éducative valable et efficace à propos des mécanismes qui produisent le réchauffement global. Cependant, il est fondamental de trouver une méthode efficace et bon marché pour mesurer le CO₂ qui est produit par la respiration du sol. La méthode proposée ici est basée sur la capacité de certains organismes alcalins, comme l’hydroxyde sodique (NaOH), à réagir avec le CO₂ de l’air.

Concept expérimental

Dans cette expérience, on place des récipients de plastique avec ouverture vers le bas sur différents endroits d’échantillonnage qui agiront comme des chambres à air pour recueillir le CO₂ du sol. On place un récipient plus petit de NaOH à l’intérieur de chaque chambre à air pour capter le CO₂. Ce système utilise les propriétés d’acide faible du CO₂ dans une réaction de neutralisation acide-base qui produit du carbonate:

CO₂ + 2Na⁺ + 2OH^– à CO₃^2- + 2Na⁺ + H₂O

Tant qu’il y aura un excès d’ions OH^– (résultat de la dissolution du NaOH), l’équilibre se déplacera vers la droite, produisant du carbonate. Après une période d’incubation, on recueille le NaOH et le carbonate est précipité à l’aide de chlorure de barium (BaCl₂). La quantité de CO₂ absorbée par la solution alcaline peut être mesurée par une simple estimation¹.

Matériel

Chambres à air, une par échantillon : des seaux de plastique de 5 litres, avec environ 18 cm de diamètre et 18,5 cm de hauteur fonctionnent bien.

Récipients pour le NaOH, un par échantillon: petits récipients de plastique de yogourt, d’environ 9 cm de diamètre et une hauteur d’environ 4 cm. On peut utiliser n’importe quel petit récipient de plastique ; cependant, pour maximiser l’absorption du CO₂, l’ouverture du récipient de NaOH doit être plus grand que l’ouverture de la chambre à air de 26%.

.   Une bouteille avec bouchon pour chaque échantillon.

.   Une ou deux planches plates de 30 par 30 cm, ou plus grandes.

.   Ruban isolant

.   Erlenmeyer de 250 ml

.   Éprouvettes de 10 et 25 ml

.   Pipettes de 5 ml

.   Vases de précipités de 400 ml

.   Burettes de 50 ml montées sur des cornues

.   1 litre de NaOH 0.25 M

.   500 ml de BaCl₂ 3 N (1.5 M)

.   2 litres de HCl 0.1 M

.   Indicateur de phénolphtaléine.

Mesures de sécurité

Les solutions utilisées dans cette activité sont très corrosives. Les endroits pour la cueillette des échantillons doivent être clôturés et avoir des signaux d’avertissement. Chaque fois que l’on manipule des substances chimiques on doit porter des gants, des lunettes protectrices et des sarraus. À la fin de l’expérience, il faut s’assurer que toutes les solutions sont adéquatement entreposées dans des contenants de résidus chimiques.

Préparer les solutions

NaOH: Pour préparer la solution 0.25 M de NaOH, ajouter 10 grammes de pastilles de NaOH à 500 ml d’eau distillée. Remuer et compléter le volume à 1 litre en ajoutant plus d’eau distillée. Boucher fermement pour protéger la solution de l’exposition à l’air.

HCl: Pour préparer la solution 0.1 M de HCl, ajouter 16 ml d’acide concentré à 1 litre d’eau distillée, agiter la solution et compléter à 2 litres en ajoutant de l’eau distillée C’est une bonne idée de standardiser l’acide dilué en utilisant une solution de NaOH 0.5 M standard. Les concentrations de HCl et de NaOH peuvent être ajustées avant en fonction des émissions de CO₂ du sol. On utilisera des concentrations plus faibles des solutions de l’acide et de la base si on espère des émissions faibles de CO₂. Pour s’assurer de meilleurs résultats, la concentration de HCl doit être maintenue entre la moitié et le quart de la concentration du NaOH.

BaCl₂: on l’utilise dans cette expérience pour précipiter le carbone, sous forme de BaCO₃ insoluble. Pour préparer la solution 1.5 M, ajouter 156.2 grammes de BaCl₂ à 400 ml d’eau distillée et agiter. Compléter ensuite jusqu’à un volume de 500 ml. Si le produit utilisé est le BaCl₂H₂O, on a besoin de 183.2 grammes pour produire la solution 1.5 M.

Indicateur de phénolphtaléine: La solution de phénolphtaléine sert comme un indicateur colorimétrique de pH. Préparer une solution à 1%, en ajoutant 1 gramme de phénolphtaléine à 100 ml d’alcool éthylique à 95%. On aura besoin seulement de deux gouttes de cette solution pour chaque évaluation.

Sélection des endroits d’échantillonnage

Comme il y aura des récipients ouverts de NaOH dans les endroits où on prendra les échantillons, ceux-ci doivent se trouver dans une zone avec accès restreint. Choisissez des espaces d’environ 50 par 50 cm dans une zone avec peu ou pas de végétation. N’importe quel sol peut être utilisé pour cette expérience, pourvu que sa surface soit suffisamment plane. Pour obtenir les meilleurs résultats, testez différents endroits qui présentent différents types de sol. Une variable importante qui distingue les différents types de sol est leur contenu en matière organique. Généralement, si la température du sol est suffisamment élevée (plus de 10ºC) et qu’il a suffisamment d’humidité, les sols qui contiennent plus de matière organique auront le meilleur taux de respiration. Après avoir sélectionné les endroits les plus adéquats pour l’échantillonnage, enlevez toute la végétation au moins 24 heures à l’avance pour éliminer le CO₂ que peut être produit comme résultat de l’altération du sol.

Option: Si la recherche du lieu adéquat d’échantillonnage vous semble un défi difficile, vous pouvez vous arranger avec une expérience dans la cour de récréation ou le laboratoire. On peut utiliser des carrés remplis de sol préparé avec différentes concentrations de matière organique pour simuler des sols avec différents niveaux de contenu en carbone.

Monter les chambres de collecte

Faites travailler les étudiants en groupes de deux, chaque couple sera responsable de la mesure de la respiration du sol dans un des lieux d’échantillonnage. Assignez à un ou deux couples d’étudiants le contrôle des lieux. Les contrôles sont nécessaires afin d’obtenir une mesure du CO₂ environnant dans l’atmosphère. Cette mesure sera soustraite de la quantité de CO₂ mesuré dans les échantillons du sol, afin de déterminer combien du CO₂ capté est dû à la respiration du sol. Montez chaque lieu d’échantillonnage de la façon suivante:

1. Mesurez et notez le diamètre d’ouverture de la chambre à air pour calculer la superficie qu’elle couvrira quand on la posera bouche vers le bas sur le capteur de NaOH.

2. Posez le capteur de NaOH à environ 4 cm au-dessus du sol, en collant trois petits batôns en guise de trépied, sur les côtés du récipient (voir figure 1).

3. Placez 25 ml de la solution de NaOH dans le fond du récipient (voir figure 2). Le sol ne doit pas être modifié dans cette phase. De plus, les étudiants ne doivent pas respirer directement sur la surface du liquide pour ne pas le contaminer avec du CO₂. À cause de la nature corrosive du NaOH, les 25 ml de solution pour chaque récipient doivent être transportés jusqu’au lieu d’étude dans une bouteille bouchée.

4. Placez rapidement la chambre à air sur le capteur et introduisez ses bords à environ 2 cm dans le sol (voir figure 3). Un peu du sol environnant peur être doucement pressé le long du bord du récipient pour assurer un scellage complet et empêcher l’échappement de CO₂ dans l’atmosphère.

5. Attendez 24 heures sans toucher la chambre à air, dépendant du contenu organique du sol. Les sols qui contiennent une proportion élevée de matière organique nécessitent normalement moins de temps que les autres sols. Le temps doit être enregistré soigneusement pour calculer les flux.

Contrôles: Installez les chambres de contrôle de la même manière que les autres, sauf les exceptions suivantes. Mettez une planche plate sur la surface du sol, pour qu’elle agisse comme barrière entre le sol et le récipient de NaOH. Placez le capteur de NaOH directement sur la planche (ne pas l’élever sur un trépied). Montez la chambre à air sur le capteur, en sellant les bords à la planche avec un ruban isolant (voir figure 4). Vous devez établir les contrôles pour la durée des essais.

6. Après la période d’incubation, recueillez les échantillons de NaOH dans des bouteilles adéquatement identifiées. Pour ceci, versez simplement le liquide des capteurs de NaOH dans les bouteilles, en vous assurant de ne rien perdre et sans respirer directement dedans. (Voir figure 5). Apportez ensuite les échantillons au laboratoire pour l’évaluation.

Évaluation

Évaluez chaque échantillon de NAOH trois fois, de la façon suivante:

1. Placez un bocal de précipités de 400 ml sous une burette graduée de 50 ml. Ouvrir la clé de passage et lavez la burette durant quelques instants avec de l’eau distillée. Ajoutez 50 ml de HCl 0.1 M à la burette jusqu’au bord. Fermez la clé de passage et ajoutez du HCl 0.1 M à la burette jusqu’à ce que la partie du bas du ménisque soit à 0 ml.

2. Passez 5 ml de la solution de NaOH de l’échantillon dans un Erlenmeyer de 250 ml et ajoutez 10 ml de H₂O distillée.

3. Précipitez le carbonate contenu dans la solution de NaOH en ajoutant 10 ml de BaCl₂ 3 N. La quantité de cristaux blancs formés est proportionnelle à la concentration de carbonate présent dans la solution alcaline. La réaction est:

CO₃^2- + 2Na⁺ + Ba²⁺ + 2Cl^– à BaCO₃ + 2NaCl

4. Ajoutez deux gouttes de phénolphtaléine à l’erlenmeyer. La solution deviendra rose.

5. Placez l’erlenmeyer sous la burette en ajoutant lentement des gouttes de HCl à l’échantillon. Après chaque adition, arrêtez et mêlez la solution en l’agitant doucement ou en la remuant avec un bâton de verre. Quand la couleur de l’échantillon passe du rose au transparent (point d’équivalence), arrêtez l’évaluation et notez le volume de HCl utilisé.

6. Répétez l’évaluation deux fois de plus pour chaque échantillon, pour trouver le volume moyen nécessaire de HCl.

Quantification des concentrations de CO₂ dans les échantillons

La quantité de CO₂ absorbé par le NaOH (QCO₂) pour chaque échantillon se calcule de la façon suivante:

QCO₂ = (T-C)(N)(E)(Vtr/Vti), où

T = volume moyen de HCl utilisé pour évaluer le CO₂ dans le contrôle

C = volume moyen de HCl nécessaire pour évaluer le CO₂ dans chacun des échantillons

N = normalité du HCl utilisé = 0.1

E = facteur de conversion : utiliser 22 pour obtenir les mg de CO₂, ou 6 pour obtenir les mg de C absorbés par le capteur

Vtr = volume de NaOH dans le capteur = 25 ml

Vti = volume de NaOH utilisé dans l’évaluation = 5 ml.

Quantification de la respiration du sol

Ce calcul prend en compte la superficie du sol exposée et le temps d’incubation. La respiration du sol se calcule comme le taux de production de CO₂ par superficie durant une période de temps donné et ainsi se définit comme flux de CO₂ (mg/m2/hre). Le flux (FCO₂) se calcule de la façon suivante:

FCO₂ = QCO₂/(A)(t), où A est la surface exposée du sol en mètres carrés et le temps d’incubation en heures.

Approfondissement

1. La plus grande partie du CO₂ émise à la surface du sol est produite par les microorganismes et plus le sol est chaud, plus intense est l’activité microbienne. La température du sol est donc l’un des facteurs environnementaux les plus importants dans le contrôle du taux de de CO₂ par les sols. En utilisant des sondes de température, les étudiants peuvent dessiner un graphique de la respiration du sol en fonction de sa température.

2. La deuxième variable qui affecte la respiration du sol est l’humidité qu’il contient. Elle est facilement mesurable en pesant les échantillons de sol, en les séchant dans un four à 60ºC durant 24 heures et en les pesant de nouveau. Le pourcentage d’humidité (MC) se calcule ainsi: MC = ((poids frais-poids sec)/poids sec) multiplié par 100.
3. Le contenu en matière organique est une variable importante qui affecte la respiration du sol. Le pourcentage de matière organique peut être estimé par combustion de la manière suivante. Extraire une poignée de sol des10 ou cm supérieurs de l’endroit à l’étude. Chauffer une partie de l’échantillon à basse intensité dans un creuset jusqu’à l’évaporation de l’eau qu’il contient et peser ensuite le sol pour obtenir le poids du sol sec. Ensuite, chauffer l’échantillon à haute intensité durant quelques minutes jusqu’à ce que la couleur ne change plus. Refroidir le sol et le peser de nouveau pour obtenir le sol brûlé. Le pourcentage de matière organique (OC) du sol se calcule ainsi:

OC = ((poids sec – poids brûlé)/poids sec) multiplié par100.

4. D’autres facteurs qui changent les flux de CO₂ des sols sont la quantité et la qualité des résidus organiques en décomposition. Il y a diverses manières par lesquelles les corrections de matière organique du sol peuvent influencer les flux de CO₂. Par exemple, ajouter au sol des matières facilement dégradables comme le fumier frais, de la farine et même du sucre peut générer des flux plus élevés que ceux des sols traités avec des substrats qui se décomposent plus lentement (copeaux de bois, paille). Concevoir des expériences dans lesquelles on change le type ou la quantité de matière organique ajoutée au sol aidera les étudiants à comprendre comment les corrections avec de la matière organique affectent la respiration du sol.

Évaluation

À la fin de l’exercice, les étudiants devraient être capables de mesurer le CO₂ et comprendre qu’il est produit par les sols et qu’il s’accumule dans l’atmosphère. Ils doivent aussi comprendre que divers facteurs, comme la température et l’humidité des sols, affectent le taux de production de CO₂. Si on réalise les activités d’approfondissement 3 et 4 (voir plus haut), ils comprendront aussi la relation entre la quantité et le type de matière organique ajoutée au sol et les quantités de CO₂ libérées dans l’atmosphère. Une question possible pour que les étudiants puissent réfléchir sur tout ceci serait : Comment la restitution de plus de matière organique aux sols (résidus de récoltes, fumier, etc.) augmenterait la rentabilité agricole (éléments pour la réponse: réduction de l’érosion, meilleure rétention de l’eau et des nutriments, fertilité intrinsèque plus élevée, meilleure aération, moins de compactage) et agirait sur le bilan total des gaz à effet de serre

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Nota

1. Rochette P. y Hutchinson, G.L. “Measurement of soil respiration in situ: chamber techniques,” en Hatfield, J. y Baker, J.M. eds., Micrometeorology in Agricultural Systems, Monografía ASA , nº 47,pp. 247-286. American Society of Agronomy, 2005. Madison, WI.

Bibliographie

Anderson, J.P.E. “Soil respiration”, A.L. Page et al., eds. Methods of soil analysis, Part 2. ASA et SSSA, Agronomy Monograph 9, 1982, pp. 831-871.

Environment Canada. CO₂/Climate report- Summer 2003. ( Julio 23, 2008) <http://www.msc.smc.ec.gc.ca/education/scienceofclimatechange/understanding/newsletter/co2_summer2003/2_e.html>

Griffiths, M., Cobb, P. y Marr-Laing, T. Carbon capture and Storage: An Arrow in the Quiver or a Silver Bullet to Combat Climate Change- A Canadian Primer. Pembina Institute, 2005 ( Julio 23, 2008), <http://www.pembina.org/pub/584>

Natural Resources Canada. Carbon cycle. Natural Resources Canada, 2005 ( Julio 23, 2008) <http://ecosys.cfl.scf.rncan.gc.ca/dynamique-dinamic/carbone-carbon-eng.asp>

Rochette, P. et HutchinsoN, G.L. 2005. Measurement of soil respiration in situ: Chamber techniques, pp. 247-286. Dans Hatfield, J.et Baker, J.M., eds. Micrometeorology in agricultural systems. Monografía ASA, nº 47. American Society of Agronomy. Madison, WI.

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Robert Lessard est directeur de l’école franco-canadienne de Saskatoon, Saskatchewan. L. Dennis Gignac est professeur associé d’Écologie végétale à la faculté Saint-Jean de l’université de l’Alberta, Edmonton. Philippe Rochette est agrométéorologue à Agriculture et agro-alimentation Canada, Québec, Québec.

Traduit par Jocelyne Dickey, biologiste et enseignante à la retraite, traductrice depuis 2004, Québec.

Ce qui précède est une traduction de « Carbon Cycle: Measuring CO2 Flux from Soil » qui a été publié en Teaching Green: The High School Years.