La production de biochars et hydrochars permet de former des amendements enrichis en carbone aromatique, potentiellement plus récalcitrant contre les dégradations dans le sol, tout en produisant massivement des énergies renouvelables. Ces amendements ont pour objectif d’augmenter la quantité de matières organiques des sols (MOS), ainsi que leur fertilité. Néanmoins, due à la diversité des biomasses pouvant être utilisé et des procédés de production, des incompréhensions existent sur le potentiel de ces matériaux à stocker du C dans le sol, à court et à long terme. De plus, des méthodes permettant d’évaluer rapidement la stabilité à long terme de ces matériaux restent à mettre au point, afin de permettre aux utilisateurs de statuer de la qualité de ces nouveaux amendements. Ces travaux ont consisté à évaluer la stabilité de biochars et hydrochars, biologiquement par des incubations de sols, et chimiquement par des oxydations à l’acide dichromate. Les biochars ont montré un haut niveau de stabilité biologique et chimique, permettant de stocker une quantité importante de carbone à l’échelle du siècle. De façon contrastée, les hydrochars se sont caractérisés par une stabilité beaucoup plus faible que les biochars, ne permettant probablement pas de séquestrer massivement du carbone au-delà de la décennie. L’hydrochar a induit un priming effect positif (stimulation), alors que le biochar a induit un priming effect négatif (protection). L’altération physique des deux matériaux a conduit à une augmentation de la stabilité et à une diminution du priming effect, mettant en lumière l’importance des paramètres environnementaux dans les stratégies de séquestration de carbone du sol. Les sols d’anciennes charbonnières ont été utilisés comme modèle d’étude à long terme de l’effet d’un apport de biochar après plusieurs siècles. Leur analyse a mis en évidence que l’apport de biochar améliore durablement les propriétés physicochimiques du sol, telle que la teneur en argile, la capacité d’échange cationique (CEC), la quantité de carbone soluble, et les teneurs en azote et phosphore. Toutefois, après plusieurs siècles d’un amendement de biochar, les communautés microbiennes ne présentaient pas d’adaptation spécifique à la dégradation d’un nouvel apport de biochar. Dans ce modèle, l’apport de résidus de plante a entrainé un priming effect négatif. Ainsi, l’apport de biochar, en générant des conditions particulières, permet le maintient de communautés de microorganismes avec la capacité de réorienter leur métabolisme, afin de dégrader spécifiquement de nouveaux substrats plus facilement minéralisables. D’autres travaux seront nécessaires afin d’évaluer la stabilité des biochars dans le système sol-plante. / Biochars and hydrochars production can form amendments enriched in aromatic carbon, potentially recalcitrant against microbial degradation, while massively producing renewable energy. These amendments are aimed to increase soil organic matter (SOM) quantity, and soil fertility. However, due to the diversity of their feedstock and production processes, misunderstandings exist on the potential of these materials to store C in soil at short and long term. In addition, methods to rapidly evaluate the long-term stability of these materials remain to be developed, in order to allow users to determine the quality of these new amendments. This work was consisted for assessing the stability of biochar and hydrochars, biologically by soil incubations, and chemically by oxidation with acid dichromate. The biochar showed a high level of biological and chemical stability, allowing to storage a large amount of carbon throughout the century. In opposite, the hydrochars might not allow sequestering massively carbon beyond the decade, due to its lower biological and chemical stability. The hydrochars induced a positive priming effect (stimulation) while biochar induced a negative priming effect (protection). Physical weathering of both materials led to an increase of stability and a decrease of the priming effect, highlighting the importance of environmental factors in evaluation of strategies for sequestering carbon. Charcoal kiln soils were used as a model for long-term study of the input of biochar in soil after several centuries. Their analysis showed that the contribution of biochar sustainably improves the physicochemical properties of the soil, such as clay content, cation exchange capacity (CEC), amount of nitrogen, phosphorus, and soluble carbon. However, after several centuries of biochar amendment, microbial communities showed no specific adaptation to the degradation of a new biochar input. In this soil model, the input of plant residues resulted in a negative priming effect. Thus, the contribution of biochar in generating specific conditions, allows the maintenance of microbial communities with the ability to switch of substrates, for a new source of substrates more easily degradable. Further works are needed to assess the stability of biochar in soil-plant system.

Les sols stockent trois fois plus de carbone que l'atmosphère sous la forme d'un mélange de molécules, la matière organique des sols (MOS). Certaines de ces molécules sont présentes dans le sol depuis des centaines voire des milliers d'années. Trois mécanismes de protection sont utilisés pour expliquer cette persistance à long terme des matières organiques dans les sols : (i) la récalcitrance chimique, (ii) la protection physique dans les agrégats et (iii) la protection physicochimique par adsorption sur les surfaces minérales. Le but de ce projet de thèse est d’améliorer la compréhension de ces processus de protection et de leur importance relative. Mon projet de thèse utilise des échantillons permettant l'accès au carbone persistant : les jachères nues de longue durée (5 sites en Europe). Il s'agit de parcelles maintenues vierges de toute végétation dans lesquelles, au fur et à mesure de la biodégradation, la quantité totale de carbone diminue, entraînant un enrichissement relatif en carbone persistant. La première étude expérimentale de ce travail de thèse vise à tester l'efficacité des méthodes d'oxydation chimique. Les deux réactifs les plus couramment utilisés -l'hypochlorite de sodium NaOCl et le peroxyde d'hydrogène H2O2- ont été testés sur des échantillons de la plus longue jachère nue (Versailles). Il est conclu que les méthodes d'oxydation chimique n'arrivent pas à isoler efficacement un réservoir de carbone persistant à l'échelle du siècle.En termes de mécanismes de persistance, les résultats obtenus montrent que la récalcitrance chimique n'est pas le principal mécanisme de protection. En effet, sur la durée de la jachère nue, la composition chimique de la MOS, caractérisée par spectroscopie NEXAFS, ne présente que peu de changements. Un enrichissement en composés présentant des groupements acides carboxyliques est détecté pour tous les sites testés. Une étude poussée de la persistance spécifique du carbone pyrogénique des sols a aussi été réalisée, ces composés sont actuellement considérés cinq fois plus persistants que le carbone total. Les résultats montrent que le carbone pyrogénique est moins persistant que prévu. En effet, le temps de résidence moyen du carbone pyrogénique obtenu par la méthode BPCA (116 ans) est seulement 1,6 fois supérieur à celui de la MOS (73 ans). L'étude du contrôle minéralogique de la persistance des MOS montre que les argiles contenant du potassium (illite) protègent moins de carbone que les argiles smectitiques. Le rapport C/N décroit avec le temps dans toutes les fractions argiles, ce qui prouve que les composés riches en azote sont préférentiellement préservés. Enfin, la présence de microagrégats dans la fraction grossière des argiles implique la coexistence de deux mécanismes de protection : la protection physique et la protection par adsorption sur les minéraux. / Soils store three times more carbon than the atmosphere, under the form of a complex mixture of molecules called soil organic matter (SOM). Some of these molecules have been standing in the soil for hundreds to thousands of years. Three main mechanisms are invoked to explain this long term carbon persistence in soils, (i) chemical recalcitrance, (ii) physical protection in aggregates and (iii) protection by adsorption on mineral surfaces. One of the major challenges in SOM science is to better understand the relative importance of each mechanism, that is the aim of this PhD project. Here, we use samples from by long term bare fallows (5 sites across Europe). These experimental plots have been kept free of vegetation by manual or chemical weeding for several decades and have been regularly sampled and stored. As the duration of the bare fallow increases, biodegradation occurs and samples get enriched in persistent carbon.First experiments consisted in testing the efficiency of chemical oxidations (two reagent were tested, sodium hypochlorite –NaOCl- and hydrogen peroxide –H2O2) on the longest bare fallow. We concluded that oxidation methods were not able to efficiently isolate a pool of persistent carbon at the centennial timescale. In terms of mechanisms of persistence, the obtained results show that chemical recalcitrance does not seem to be the major mechanism. Indeed, over the duration of the bare fallow, the chemical composition of SOM, as seen by synchrotron based NEXAFS spectroscopy, shows little changes. There is a consistent increase in carboxylics for all sites (12% increase on average) though it is significant for 2 out of the 4 selected sites. We also studied the particular persistence of soil pyrogenic carbon, which is thought to be at least five times more persistent than bulk SOM. Results show that pyrogenic carbon lacks long term persistence. Indeed the BPCA-estimated mean residence time of pyrogenic carbon (116 years) is on average 1.6 times longer than MRT for bulk SOM (73 years). Finally, the study of mineralogical control of the persistence of SOC showed that clay minerals containing potassium (illite) seemed to protect less carbon. As seen by NEXAFS-STXM, more mineral surfaces with very little SOM appear with the duration of bare fallow. C:N ratio decreased in all clay fractions, suggesting a preferential persistence of N-rich compounds. Presence of microaggregates in the coarser clay fraction led to the coexistence of two protection mechanisms: adsorption and physical protection.