Le carbone organique des sols (COS) joue un rôle majeur dans le maintien des propriétés des sols, et constitue un important réservoir de carbone sensible aux perturbations anthropiques dont les changements d'usage ou de gestion des terres. En Amazonie, la déforestation libère des gaz à effet de serre (GES) par le brûlis de la végétation mais les stocks de COS sont également susceptibles d'évoluer et de contribuer aux émissions de GES. Nous montrons que ces variations de stocks sont cependant mal comprises à l'échelle du biome, en raison de l'approche par chrono-séquence qui induit de nombreuses incertitudes et du manque de données sur la gestion des agrosystèmes implantés après déforestation. L'étude a été conduite sur un site agronomique diachronique en Guyane, déboisé sans brûlis et avec des restitutions de biomasse forestière au sol, sur lequel ont été implantés 3 systèmes de culture : une prairie et deux systèmes maïs/soja avec ou sans travail du sol. L'objectif a été de déterminer le devenir du carbone forestier et du COS des agrosystèmes. Les fluctuations des stocks ont été mesurées jusqu'à 5 ans après déforestation dans la couche 0-30 cm, un bilan est proposé pour la couche 0-100 cm à 5 ans. La décomposition des débris de bois, apportés au sol suite à la déforestation, a été étudiée via leur perte de masse et leur caractérisation par pyrolyse Rock-Eval. La répartition granulométrique du COS a été mesurée 4 ans après déforestation. L'isotopie δ13C a été utilisée dans le sol sous prairie pour distinguer le carbone d'origine prairiale. L'apport de carbone issu de la déforestation a entrainé une augmentation des stocks de COS, mais de courte durée car les débris de bois se sont rapidement décomposés et n'ont pas induit de stockage durable de COS. Cinq ans après déforestation les stocks de COS sous prairie sont similaires à ceux observés sous forêt, grâce à des apports de carbone importants par les racines, alors que sous cultures les stocks diminuent d'environ 18 %, sans que l'on ait distingué un effet du travail du sol. La décroissance du carbone forestier, qui concerne l'ensemble des fractions granulométriques du sol, a donc été compensée par les apports de carbone sous prairie, ce qui n'est pas le cas sous cultures annuelles. Le modèle RothC a pu être validé dans notre situation même s'il a surestimé légèrement les stocks sous cultures. Nos résultats, replacés dans le contexte amazonien montrent que les diminutions de COS observées ici sont moins importantes que pour l'ensemble des tropiques humides, probablement en raison de la gestion optimale du site et de la courte durée du temps d'observation. / Soil organic carbon is a key component of soil quality, and represents a large part of the terrestrial carbon stock, sensitive to human perturbations including land-use change. In Amazonia, deforestation induces greenhouse gases (GHG) emissions due to vegetation burning, but SOC stocks also change, which can induce GHG emissions. We show that these changes are misunderstood at the biome scale, because of the chronosequence approach that induces uncertainties, and because of the lack of management data of the agrosystems established after deforestation. We studied here an agronomic trial with a diachronic approach in French Guiana, deforested with a fire-free method that returned large amount of forest organic matter. Three agrosystems were set up: a grassland and two annual crop systems (maize/soybean) with and without soil tillage. We aimed to measure the fate of forest carbon and of SOC in the agrosystems. SOC stocks fluctuations were assessed up to 5 years after deforestation in the layer 0-30 cm, and a comparison forest-agroecosystems in the layer 0-100 cm was done at 5 years. Decomposition of woody debris buried in the soil after deforestation was assessed by mass loss approach and Rock-Eval pyrolysis. SOC distribution in granulometric fractions was measured 4 years after deforestation. δ13C methods were used in the grassland soil to distinguish the carbon derived from forest or grassland. We found that carbon inputs from deforestation increased SOC stocks, but only at short-term because woody debris decomposition was fast and did not induce a mid-term SOC storage. Five years after deforestation SOC stocks in grassland are similar to the forest, thanks to carbon inputs from root activity. In the annual crops SOC stocks decrease of about 18 %, and no difference is found according to the soil tillage. The decay of forest soil carbon, which affected the whole granulometric fractions of SOC, is thus offset in grassland but not in annual crops. RothC model could be validated in our study, but slightly overestimated SOC stocks in annual crops. Replaced in the Amazonian context, our results showed that the SOC decrease here was lower than other studies across humid tropics. This can probably be explained by the optimal management of the agrosystems, and the short time lapse studied.

Les interactions organo-minérales contrôlent la stabilisation de la matière organique du sol. Les nanominéraux, résultant de l'altération continue des minéraux, précipitent à partir d'espèces ioniques à leur surface. Les derniers travaux de simulation en laboratoire se sont focalisés sur les nanophases de Fe et Al. Dans ce travail, des simulations en laboratoire ont été réalisées sur les processus d'altération de la biotite et les néoformations résultantes, après hydrolyse d’espèces dissoutes d'un système Si Fe Al Mg et K, en présence et en absence de C. La structure des phases a été caractérisée par TEM- EDX et Fe-EXAFS.En l'absence de C, des nanominéraux amorphes de 10-60nm sont formés, la composition étant contrôlée par le pH en fin d'hydrolyse. A pH4.2 et 7, leur composition est dominée par Fe, dont la polymérisation est perturbée par Al Si Mg et K. Inversement, à pH5, la polymérisation du Fe est limitée par la précipitation de grandes quantités de Si. En présence de C, les complexes organo-minéraux synthétisés sont des particules amorphes de 2-200nm. Leur taille augmente avec la teneur croissante en C jusqu'à un ratio métal/C de 1. La précipitation engendre 2 familles: (1) les petites particules chimiquement similaires à la solution de lixiviat; (2) les plus grosses fortement contrôlées par la teneur de C. La composition de ces dernières est dominée par Si lorsque C est faible, et par Fe lorsque C est élevé. Le changement de chimie entre les particules plus petites et plus grandes ainsi que le rôle de Si sont importants mais souvent négligés. Ainsi, ces résultats éclairent l'effet des variations de C sur l'affinité des espèces inorganiques dans les systèmes naturels / Organo-mineral interactions, due to the high reactivity of nanominerals, play a major role in soil organic matter stabilization. Nanominerals, which are the result of the continuous alteration of minerals, precipitate from ionic species at the mineral solution interface. In literature, only Fe and Al get emphasis with regard to batch-synthesized nanomineral studies. In this work, laboratory simulations were carried out on the post biotite alteration processes and the resulting neoformations after hydrolysis of the dissolved species from a Si Fe Al Mg and K system, in the presence and absence of C. New phases were characterized by TEM-EDX and EXAFS at the Fe K-edge.In C absence, 10-60nm sized amorphous nanominerals are formed whose composition is controlled by pH at the end of the hydrolysis. For pH4.2 and 7 phases, composition is dominated by Fe, whose polymerization is hindered by Al, Si, Mg and K. Conversely, at pH5, the overall presence of Fe is counteracted by precipitation of high amounts of Si. In C presence, precipitates are amorphous 2-200nm sized particles. This size increases with increasing C presence until a molar Metal:C=1. Precipitation resulted into two distinct size ranges. Smaller particles chemically resemble the leachate solution, while for larger particles it is influenced by C concentration. Composition of larger particles is dominated by Si at low C compositions while by Fe at higher ones. Interesting is the change in chemistry between smaller and larger particles as well as the role of Si often overlooked in other studies. Therefore, these results emphasize on effect of C variations on affinity of inorganic species in natural systems.

Les composés Organiques Volatils (COVs) sont des gaz carbonés rares, émis en faible concentration depuis les surfaces continentale et marine vers l’atmosphère. Très réactifs, ces composés sont impliqués dans la chimie atmosphérique et sont au cœur de nombreuses problématiques environnementales actuelles telles que le changement climatique lié aux gaz à effet de serre, la qualité de l’air et les rétroactions sur le fonctionnement des écosystèmes. Les couverts végétaux terrestres étaient jusqu’alors identifiés comme les sources principales de COVs d’origine biogénique. Mais, de récentes études suggèrent que les sols pourraient constituer des sources majeures de COVs. Or dans les paysages anthropisés agricoles, les sols sont l’objet d’usages et de gestions divers et variés et sont susceptibles de modifier qualitativement et quantitativement les patrons d’émissions de COVs. Paradoxalement, les sols d’agrosystèmes ont fait l’objet de peu d’inventaires de leurs émissions de COVs. La rareté des connaissances sur la contribution des sols d’agrosystèmes dans les émissions de COVs a motivé ce travail de thèse dans lequel trois objectifs ont été poursuivis : i) inventorier les spectres et quantifier les flux de COVs émis par les sols dans les paysages agricoles, ii) déterminer le rôle des microorganismes du sol dans les émissions et iii) identifier les déterminants abiotiques régulant les émissions de COVs par les sols. Une première partie du travail a consisté à analyser les dynamiques temporelles d’émissions de COVs sur le terrain, dans deux sites observatoires représentatifs du paysage agricole Breton : le site EFELE (SOERE-PRO) comprenant des sols cultivés soumis à des pratiques de fertilisation contrastées, et la Zone Atelier Armorique (ZAAr) comprenant des prairies permanentes fertilisées et des prairies humides caractérisées par un faible degré d’anthropisation. La deuxième partie du travail a été menée en laboratoire pour expliciter et compléter les observations de terrain, deux séries d’expérimentations en laboratoire ont été réalisées permettant de manipuler, i) la source de carbone organique du sol via l’apport de différentes molécules modèles, ii) les communautés microbiennes par la transplantation de communautés microbiennes naturelles dans trois sols distincts. Cette étude aura permis de montrer, en laboratoire et sur le terrain, qu’un sol émet une quarantaine de masses dont seules quelques-unes (1 à 4) sont dominantes. Ces spectres de COVs sont par ailleurs spécifiques des usages des sols (culture vs prairie) et des pratiques de fertilisation. Nous montrons aussi : i) qu’il existe une temporalité des émissions de COVs par les sols allant de 22 à 167 μg de COVs par m−2 h−1, la période hivernale étant la moins émissive et que ii) s’ajoute que certaines pratiques de fertilisation, comme l’apport de lisier de porc, induisent un flux de méthanol pouvant atteindre jusqu’à 10 fois celui qui est observé par les sols amendés avec du digestat de lisier de porc. Concernant, le rôle des microorganismes du sol dans la production de COVs, nous démontrons que le spectre de COVs n’est pas représentatif de la diversité phylogénétique de la communauté du sol mais plutôt de l’activité métabolique des microorganismes actifs. S’agissant de l’exploration des déterminants abiotiques susceptibles de réguler les émissions, nos résultats suggèrent que l’ajout de molécules organiques au sol, induit un changement rapide dans le spectre de COVs émis par le sol. Cette modification est dépendante du degré de polymérisation de la molécule apportée. Pour conclure, l’approche intégrative et interdisciplinaire mise en œuvre dans ce travail de thèse a permis d’accroître les connaissances sur les émissions de COVs biogéniques par les sols. L’ensemble des recherches suggère que les émissions de COVs par les sols ne sont pas négligeables. Leur position dans les cycles biogéochimiques nécessite leur intégration dans les scenarii futurs des changements globaux. / Volatile Organic Compounds (VOCs) are trace carbonaceous gases emitted in low concentrations from the continental and marine surfaces to the atmosphere. Highly reactive, these compounds are involved in atmospheric chemistry and are at the heart of many current environmental issues such as climate change related to greenhouse gases, air quality and feedback on the functioning of ecosystems. Terrestrial plant cover was previously identified as the main source of VOCs of biogenic origin. But recent studies suggest that soils could be major sources of VOCs. However, in agricultural anthropogenic landscapes, soils are subject to various and varied uses and management and are likely to modify qualitatively and quantitatively the patterns of VOC emissions. Paradoxically, agrosystem soils have been the subject of few inventories of their VOC emissions. The scarcity of knowledge on the contribution of agrosystems soils in VOC emissions motivated this work of thesis in which three objectives were pursued : i) inventory the spectra and quantify the VOCs fluxes emitted by soils in agricultural landscapes (ii) to determine the role of soil microorganisms in emissions and (iii) to identify the abiotic determinants controlling VOC emissions by soils. A first part of the work has consisted in analyzing the temporal dynamics of VOCs emissions in the field, in two observatory sites representative of the Britain agricultural landscape : the EFELE site (SOERE-PRO) comprising cultivated soils subjected to contrasting fertilization practices, and the Zone Atelier Armorique (ZAAr) including fertilized permanent meadows and wet meadows characterized by a low degree of anthropization. The second step of the work was conducted in the laboratory to clarify and complete the field observations, two series of laboratory experiments were conducted to manipulate, i) the soil organic carbon source via the input of different model molecules (ii) microbial communities by transplanting natural microbial communities into three distinct soils. This study has generated technical advances and produced entirely new results concerning both the characterization of spectra and the quantification of biogenic VOC fluxes emitted by soils. Thus, we show, in the laboratory and in the field, that a soil emits about forty masses of which only a few (1 to 4) are dominant. These VOC spectra are also specific to land uses (crop vs meadow) and fertilization practices. We also show that : i) there is a temporality of VOC emissions by soils ranging from 22 to 167 μg of VOCs per m−2 h−1, the winter period is the least emissive and ii) adds that some fertilization practices, such as pig slurry, induce a flux of methanol up to 10 times that observed by soils amended with methanised pig slurry. Regarding the role of soil microorganisms in VOCs production, we demonstrate that the VOCs spectrum is not representative of the phylogenetic diversity of the soil community but rather of the metabolic activity of active microorganisms. As for the exploration of abiotic determinants that can regulate emissions, our results suggest that the addition of organic molecules to the soil induces a rapid change in the VOC spectrum emitted by the soil, ranging from a few hours to a few days after intake. This modification is dependent on the degree of polymerization of the molecule provided. All research suggests that VOC emissions by soils are not negligible. Their key position in terms of issues requires to be of greater interest and to take them into account in future scenarios of global changes (climate and land uses), especially with regard to emerging practices of soil management in connection with the ecological transition initiated in agriculture. Similarly, the consideration of VOCs emissions in the biogeochemical cycles of carbon and that of nitrogen to better understand the functioning of ecosystems is also discussed in this document.