Propriétés émergentes des fonctions microbiennes dans les sols : Identification de descripteurs spatiaux de la structure du sol à partir de modélisations 3D à l'échelle des habitats microbiens – Soilµ-3D

La réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) représente un défi majeur auquel doit faire face l'agriculture aujourd'hui. Les modèles décrivant le cycle du carbone et de l'azote dans les sols comme RothC, Century, ou CERES sont nécessaires pour évaluer l’effet des propriétés du sol, du climat et des pratiques agricoles sur des émissions de GES. Cependant ils doivent s’améliorer afin de fournir des prévisions plus précises et robustes. Ces modèles utilisent des fonctions empiriques représentant les différents facteurs environnementaux qui peuvent affecter les fonctions microbiennes du sol. Or, ce type de fonctions présentent des limites car elles ne considèrent pas l’hétérogénéité des sols à l'échelle des micro-organismes et elles ne peuvent pas décrire les processus complexes en interaction les uns aux autres qui ont lieu dans la structure du sol. La représentation mécaniste des processus à petite échelle a été identifiée dans la littérature comme l'une des priorités pour améliorer ces modèles de dynamique des matières organiques et d’émission de gaz à effet de serre.
Notre projet de MEPSOM (ANR, de 2009 à 2013) a montré expérimentalement en quoi les caractéristiques physiques des habitats microbiens contrôlent la décomposition des substrats organiques. MEPSOM a développé un ensemble de méthodes et de modèles pour visualiser en 3D l’hétérogénéité du sol aux échelles des micro-organismes. Il a également contribué avec succès au développement de trois modèles 3D très complémentaires capables de simuler pour la première fois la dégradation microbienne de la matière organique à l'échelle des micro-habitats à l'aide d’images réelles 3D du sol. L'objectif de ce nouveau projet est maintenant d'aller plus loin en utilisant les modèles 3D développés dans MEPSOM pour porter les hétérogénéités identifiés à l'échelle des micro-habitats aux échelles du profil de sol. Les objectifs du projet sont les suivants: développer de nouveaux descripteurs de hétérogénéité 3D du sol à l’échelle des pores qui expliquent les flux mesurés à l'échelle centimétrique, utiliser nos modèles 3D pour faire un lien entre l'hétérogénéité visualisée à l’ échelle microscopiques et les flux mesurés à l’échelle macroscopiques, développer de nouveaux modèles simples décrivant ces micro-hétérogénéités et les porter dans les modèles développés à l’échelle du champ.
L'originalité de notre approche est de réunir des scientifiques de la science du sol et des scientifiques des mathématiques appliquées et de la modélisation. L'interaction entre ces deux populations de chercheurs va rompre avec les formalismes de modélisation traditionnels utilisés en science du sol.
Pour démarrer le projet, les partenaires se réuniront pour établir et réaliser des scénarios avec les modèles existants du projet MEPSOM. Cette première étape permettra de définir de nouvelles expériences stratégiques pour mesurer les émissions de CO2 et N2O dans différentes microenvironnements (WP1). Les images 3D de la distribution de l’eau, des matières organiques, et des micro-organismes dans les pores du sol seront produites dans WP2 à partir des échantillons fournis par WP1. Les descripteurs de l’hétérogénéité seront également calculés sur ces images. Les modèles 3D développés à l'échelle des pores établiront le lien entre la visualisation 3D microscopiques et les flux mesurés aux échelles macroscopiques. Des scénarios de simulations explorant des conditions contrastées de micro-environnements seront réalisés à partir de ces modèles (WP3). Les corrélations entre les descripteurs calculés à l'échelle des pores et les flux de gaz enregistrés à l'échelle centimétrique servira de base pour la production de fonctions ou de modèles simples qui transmettront les informations des hétérogénéités microscopiques jusqu’au profil du sol. WP 5 proposera des améliorations dans les modèles mis en œuvre à l'échelle du champ ainsi qu’un test de ces modèles améliorés avec des données de terrain existantes.