Thèse Stockage et Déstockage du Carbone Organique des Sols Alpins Pastoralisme et Effet d'Héritage H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Savoie Mont-Blanc École doctorale : Sciences Ingénierie Environnement Laboratoire de recherche : Environnements, Dynamiques et Territoires de la Montagne Direction de la thèse : Jérôme POULENARD Début de la thèse : 2025-10-01 Date limite de candidature : 2028-09-30T23:59:59 Ce projet de thèse vise à mieux comprendre les dynamiques du carbone organique des sols (SOC) dans les milieux alpins, en particulier sous l'effet combiné du changement climatique et du pastoralisme. Les sols de montagne, riches en carbone mais vulnérables, sont soumis à des transformations climatiques intenses (réchauffement, réduction de l'enneigement, modification hydrique) et à des évolutions d'usage (modifications des pratiques pastorales, verdissement, retour du loup...). L'objectif est de déterminer dans quelle mesure le pastoralisme influence la dynamique du SOC, d'identifier les héritages des usages et climats passés sur cette dynamique, et de caractériser les mécanismes microbiens et organiques à l'oeuvre dans la stabilisation ou la perte de carbone.
La méthodologie s'appuie sur deux approches complémentaires : une approche observationnelle, à travers l'étude de gradients d'usages pastoraux et historiques dans les Alpes (notamment via les « Alpages sentinelles »), et une approche expérimentale combinant manipulations climatiques et différentes intensités de pâturage. Une batterie d'analyses avancées (séquençage, métabolomique, fractionnements organiques, datation, flux CO, lysimétrie, marquage isotopique) permettra de mieux comprendre les interactions entre pratiques humaines, communautés microbiennes et dynamiques du carbone. L'étude devrait fournir des éléments clés pour anticiper les réponses des sols alpins aux bouleversements globaux actuels et futurs. a capacité des sols à constituer des stocks de carbone organique (Soil Organic Carbon : SOC) est au coeur d'un ensemble d'enjeux scientifiques, techniques et politiques fondamentaux de ce début du XXIème siècle. En effet, les sols, qui constituent le stock prédominant de carbone dans les écosystèmes terrestres avec plus de 3000 Gt (Tifafi et al., 2018) peuvent agir comme des puits (augmentation du stock initial) ou des sources (diminution du stock initial) de carbone dans l'atmosphère combinaison de l'importance de ce stock et la possibilité d'avoir, en provenance des sols, soit des émissions, soit des fixations de Gaz à Effet de Serre (GES) a donné une place centrale au sol sur les questions de changements climatiques (Lal, 2009). Or il a bien été mis en évidence des mécanismes de feedback (négatif pour certains écosystèmes (Ping et al., 2015 ; Khedim et al., 2023) possiblement positif dans d'autres (Bosson et al., 2023) entre climat et dynamiques du SOC. D'autre part, il a été observé des relations complexes entre usages des sols et bilan d'émissions de carbone pédologique avec des pratiques humaines qui peuvent impacter l'aptitude des sols à être des puits ou des sources de carbone. Cette mise en évidence de l'effet des pratiques (forestières et agricoles) sur le bilan de carbone est à l'origine de l'initiative 4 pour 1000, proposée par la France en 2015 (Rumpel et al., 2020) pour favoriser les pratiques permettant aux sols d'augmenter leurs stocks de SOC et ainsi compenser l'excès d'émission anthropique de carbone.

Cependant il subsiste une très grande incertitude scientifique sur les processus et mécanismes qui conduisent un sol (pendant un temps défini) à être un puit ou une source de carbone. Par ailleurs, les inventaires globaux de SOC à l'échelle planétaire ont clairement mis en évidence l'importance des stocks dans les écosystèmes froids de la planète, en milieu arctique (hautes latitudes) mais aussi en montagne (hautes altitudes) (Crowther et al. 2019).

Les travaux menés dans les Alpes depuis une quinzaine d'année par nos équipes de recherche ont également permis de mettre en évidence que les matières organiques des sols de montagne étaient particulièrement fragiles aux effets du réchauffement climatique notamment parce que le SOC est, dans les sols de montagne, sous une forme non protégée sur le long terme (POM vs MAOM) (Saenger et al., 2015 ; Puissant et al., 2015 ; Puissant et al., 2017; Khedim et al., 2023 ; Bonfanti et al., 2025). Les stocks de carbone organique des sols de montagne sont donc particulièrement importants mais ils sont fragiles. Or les montagnes alpines subissent des changements climatiques particulièrement accentuées. On doit donc s'attendre à une modification importante du bilan de carbone des sols de montagne dans les prochaines années sous l'effet de ces changements (thermique, hydrique et régime d'enneigement qui modifie le climat des sols et les conditions d'activités microbiennes) (Bonfanti et al ., 2025.). Par ailleurs et partiellement en lien avec l'évolution du climat, des changements importants de végétation (verdissement (Choler et al., 2021) ; migration d'espèces alpines vers le haut (Thuiler et al. 2024)) et des usages des sols (changements des pratiques pastorales : modification de la gestion des troupeaux par conséquence du retour du loup ; augmentation de la durée de saison en altitude ; redéploiement d'activités touristiques selon les régions) sont en cours.

Si les effets des changements climatiques sont assez bien connus (car abondamment étudié à l'échelle internationale), les conséquences des changements d'usage et notamment les mutations du système pastorale d'altitude sur la dynamique des matières organiques des sols de montagne (en combinaison avec les changements de pédoclimats) restent très largement ignorés. Par ailleurs, il apparaît de plus en plus que la dynamique du carbone organique du sol ne peut être comprise et modélisé sans prendre en compte les effets du passé (Delcourt et al., 2022). Le raisonnement qui consisterait à expliquer la dynamique du SOC uniquement par les conditions à l'instant t, est pris en défaut. Il y a de manière évidente des effets d'héritages sur cette dynamique des matières organiques des sols (Delgado-Baquerizo, et al., 2017). Pour améliorer la compréhension des stocks de carbone des sols alpins et la modélisation de leur devenir il s'agit ainsi de prendre en compte des trajectoires d'évolution du système climat/plantes/usages/sols. Parallèlement, c'est à l'interface entre matières organiques et communautés microbiennes que les mécanismes de stabilisation/relargage du carbone organique doivent être étudiés pour comprendre les effets d'héritage et les conséquences des changements climatiques et d'usages actuelles.

De manière plus détaillé, l'objectif du travail proposé est donc i) d'estimer les effets du pastoralisme sur la dynamique du carbone organique des sols alpins ii) de préciser la nature et l'ampleur des effets d'héritages des climats et usages passés sur cette dynamique et iii) de caractériser les causes de ces effets en focalisant notamment les travaux sur le couplage entre matières organiques et adaptions des communautés microbiennes. Au bilan les effets combinés du changement climatique et du pastoralisme sur la dynamique actuelle du SOC dans les sols alpins seront étudiés
Le travail de thèse sera structuré autour des deux parties suivantes :

Partie I - Pastoralisme, héritage et dynamique du carbone organique des sols alpins - approche par l'observation

Les objectifs et les hypothèses associées à cette partie sont les suivants :
Objectif : Estimer l'effet du pastoralisme sur la dynamique du carbone organique des sols alpins
Hypothèse : i) Les pratiques pastorales par leurs actions sur les sols (prélèvement de biomasse ; déjections ; piétinements ; érosion) ont un effet fondamental (du même ordre de grandeur que les effets thermiques) sur les stocks et la dynamique (stockage/déstockage) du carbone organique des sols de montagne ii) Les usages passés des sols induisent des fonctionnements actuels du couple matières organiques - communautés microbiennes qui sont des clés pour comprendre les anomalies de stock de C et leurs formes (protégés ou non)

Pour tester ces hypothèses, la stratégie scientifique sera basée sur l'étude et le prélèvement de sols dans des gradients d'usage (actuels et passés). En s'appuyant sur le dispositif « Alpages sentinelles » qui étudie des systèmes pastoraux de référence depuis 15 ans, et en collaboration avec les services pastoraux des 7 départements alpins, nous constituerons une collection d'échantillons de sols sur des sites caractérisés par des gradients de charges et pratiques pastorales actuel. Pour prendre en compte la diversité des systèmes (lithologie, nature des sols, système bovin/ovin....) nous envisageons d'étudier une dizaine d'alpages avec au minimum 5 niveau d'intensité pastorale depuis la mise en défens jusqu'à des zones de très fortes charges (parc de nuit ; reposoir...). Pour mieux caractériser les pratiques, nous disposerons, sur un certain nombre de ces sites, d'un suivi fin de troupeaux (charge, trajectoires, comportement) avec des animaux équipés de GPS dans le cadre du projet Persée (Pastoralisme Et biodiveRsités dans le Socio-Écosystème Estive (PERSÉE)- (projet OFB-LECA).

Parallèlement (et le plus souvent sur des sites voisins), nous testerons les effets d'héritage en s'appuyant sur l'étude de sols alpins ayant eu des trajectoires d'usages différenciées. Nous utiliserons notamment le site de l'Alpage de Faravel (Parc National des Ecrins) où des zones de concentration des troupeaux (parcs, enclos) utilisées à différentes périodes (antiquité ; moyen-âge ; XIXième siècle ; XXième siècle) puis abandonnés sont connus. Ce site permettra de tester l'hypothèse de mémoires à long terme des usages passés. Nous utiliserons par ailleurs des sols prélevés dans les Réserves Intégrales du Lauvitel (Parc National des Ecrins) et de la Montagne du Saut (Parc National de la Vanoise) aujourd'hui en réserve intégrale et sans activités pastorales mais dont l'histoire pastoral est connue.

La stratégie analytique qui sera mise en place sur les sols prélevés dans ces sites est basée sur des méthodes bien maitrisées par l'équipe d'encadrement mais rarement utilisées de manière conjointe.
Le compartiment microbien des sols sera exploré par séquençage 16S (bactéries) et ITS (champignons), complété par une analyse fonctionnelle des traits microbiens liés à la croissance, au stress et à la dégradation de la matière organique. L'activité enzymatique (-glucosidase, phosphatase, leucine aminopeptidase) et la métabolomique fourniront des indicateurs supplémentaires du fonctionnement des communautés microbiennes et de leur stoechiométrie C/N/P. La pompe microbienne du carbone sera évaluée par le dosage des sucres aminés (glucosamine, galactosamine, muramic acid), marqueurs de la nécromasse microbienne, et leur rapport à la matière organique totale permettra d'estimer la contribution des microbes à la formation de carbone organique stable.
En parallèle, les stocks de carbone des sols seront mesurés et la matière organique du sol sera caractérisée via fractionnement densimétrique (freePOM vs MAOM), pyrolyse Rock-Eval, spectroscopie IR. Ces données permettront d'évaluer la qualité, la stabilité du C du sol. Une attention particulière sera portée à la capacité de stockage sur surface minérale, en estimant si les sols sont proches ou non de la saturation en MAOM, ce qui conditionne leur potentiel à séquestrer du carbone à long terme. Des datations radiocarbone (¹C) pourront compléter ces analyses pour estimer l'âge du carbone dans les différentes fractions.

Outre les résultats sur le poids du pastoralisme sur la dynamique du carbone des sols d'alpages, ces recherches doivent permettre de manière plus fondamentale de préciser le rôle des dynamiques de construction des pools stables de carbone organique dans les contextes de régimes climatiques froids.

Partie II- Couplage changements climatique et pastoralisme sur le carbone organique des sols alpins - Approche par l'expérimentation

Objectif : Evaluer comment l'intensité du pâturage influence la réponse des sols alpins aux changements climatiques extrêmes (sécheresse, canicule, réduction de l'enneigement).
Hypothèse : le pâturage favorise des communautés microbiennes copiotrophes (environnement riche en nutriments), plus actives mais aussi plus vulnérables aux stress climatiques à court terme. À l'inverse, les systèmes oligotrophes sont plus résistants initialement, mais sensibles aux stress prolongés. Il pourrait ainsi exister une intensité de pâturage optimale maintenant les fonctions sans perte de résilience.

L'enjeu de cette partie est de mieux comprendre les mécanismes contrôlant le fonctionnement de la matière organique des sols et les effets combinés des changements climatiques et d'usage en cours. Il s'agira notamment d'étudier la réponse du compartiment organique des sols et des communautés microbiennes a des changements simulés de conditions climatiques et de pressions pastorales.

Nous nous baserons ici d'une part sur des expériences de laboratoire et d'autre part sur des expérimentations in-situ déjà en partie mises en place sur le site de l'UAR jardin du Lautaret.

Sur le site du Lautaret, nous utiliserons des dispositifs, déjà mis en place et opérationnels, pour simuler des changements climatiques (dispositif cryotron pour simuler des réductions de l'enneigement hivernal ; dispositif Secos pour simuler des sécheresses estivales intenses). Dans ces dispositifs, nous installerons des blocs de sols (prélevés à proximité dans le vallon de Roche Noir) caractérisés par des charges pastorales actuelles distinctes (absence d'activités pastorales actuelles ; charge moyenne et forte).
De la même manière mais en situation plus contrôlé, le doctorant mettra en place au laboratoire des incubations à différentes températures et avec différents régimes hydriques, de sols caractérisés par des usages actuelle différents mais également ayant eu des trajectoires d'usages contrastés.
Les mêmes outils analytiques que dans la partie I seront mobilisés pour étudier la réponse des matières organiques et des communautés microbiennes de sols aux changements climatiques. Cependant, dans ce cas nous mesurerons également la respiration microbienne (analyse des flux de CO2) et in situ les flux de nutriments associés au eaux de drainage (lysimétrie). Des marquages au ¹³C (ajout de substrats) et suivi dans la nécromasse (sucres aminés) pour quantifier la part du C frais rapidement transformée et stabilisée par les microorganismes pourront être éventuellement également réalisés.

Outre le contexte alpin, des résultats importants sur le fonctionnement de la pompe microbienne et son rôle dans la stabilisation du carbone organique des sols sont attendues sur cette partie.

Calendrier :
La phase d'expérimentation de laboratoire sera mise en place dès l'automne 2025 et occupera l'essentiel de la première année de thèse (valorisation sous forme d'article inclus). La plus grande partie de la phase de prélèvement de sols associés à la première partie sera réalisée lors de l'été/automne 2026 et les caractérisations seront ainsi mises en oeuvre au cours de la période 2026-2027 (deuxième année de thèse). Les expérimentations au Lautaret seront réalisées du printemps 2026 jusqu'en septembre 2027. La plus grande part des travaux de caractérisation finale des sols et des communautés ayant subis les expériences sera ainsi réalisé au cours de l'automne/hiver 2027-2028.

Il est à noter que les coûts d'analyses et l'environnement financier de cette thèse sont obtenus en partie (projet OSUG AVE CESAR: projet OFB Persée). Des projets ont également été récemment déposés (fondation Roulier ; ANR CIMES ; PEPR Water) pour compléter les financements. Elle bénéficiera dans tous les cas du soutien du programme « Sentinelles des Alpes » (OFB- Commissariat de massif des Alpes).

Le candidat doit absolument avoir une très bonne connaissance des sols. Il devrait idéalement avoir déjà travaillé sur des questions de dynamique de la matière organique et/ou des sols de montagne. Il devra être capable de travailler tant à l'échelle des paysages qu'à l'échelle du laboratoire.