Séquestration de carbone dans les sols
Description
Les écosystèmes participent à la régulation du climat à diverses échelles : à l'échelle globale en séquestrant une partie des gaz à effet de serre et aux échelles régionale et locale en modifiant les variables climatiques telles que la température, l'humidité de l'air, la vitesse du vent.
La quantité de carbone organique dans le sol dépend de nombreux facteurs, parmi lesquels l'utilisation des terres, la texture du sol et le niveau des eaux souterraines jouent un rôle important.
Presque toutes les formes de travail du sol affectent négativement les stocks de carbone, les sols des écosystèmes naturels auront des stocks plus importants que les sols traités intensivement. Indépendamment de l'utilisation du sol, l'état d'humidité et la teneur en argile du sol déterminent principalement la capacité de stockage du carbone. Plus le sol est humide et plus la teneur en argile est élevée, plus le carbone peut être stocké. Les interventions de gestion telles que le drainage réduisent le stockage. Le facteur temps joue également un rôle important dans le stockage potentiel du carbone, en particulier pour des sols engorgés en permanence.
Information requise:
- Utilisation des sols
- Stock de carbone mesuré dans la situation actuelle (données CARBIOSOL de l’UCLouvain pour le compte du SPW)
- % d'argile et de sable dans les 100 cm supérieurs (transposition sur base de la classe de texture, carte numérique des sols de Wallonie - SPW)
- Niveau moyen des plus hautes eaux souterraines (GHG) et niveau moyen des plus basses eaux souterraines (GLG) situation actuelle et estimation de la situation future (cartes interpolées basées sur les classes de drainage de la carte numérique des sols de Wallonie – SPW)
- Présence de certaines textures de sol de la carte des sols (carte numérique des sols de Wallonie – SPW)
- Présence de tourbe dérivée de la carte des sols (carte numérique des sols de Wallonie – SPW)
- Pente en degrés (issue du MNT 2013 - 2014 – SPW).
- Pour les sols agricoles, apport de fertilisation en équivalent C basé sur la région agricole van Wesemael et al. (2010)
- Pour les forêts, la présence de la forêt sur la carte de Ferraris (carte des forêts anciennes – SPW), la pente du terrain (issue du MNT 2013 - 2014 – SPW) et les essences d'arbres (données de Forest Is Life, Gembloux AgroBioTech pour le SPW).
Appréciation qualitative
Presque toutes les formes d'utilisation des sols ont un impact négatif sur les stocks de carbone. Plus la biomasse qui reste sur place dans les systèmes gérés (résidus de récolte, herbe coupée, bois de couronne), plus la quantité de carbone stockée dans le sol est importante. Les perturbations du sol telles que le labour réduisent la protection physique de la matière organique, ce qui fait qu'elle se minéralise plus facilement et réduit le stockage du carbone. Par conséquent, les sols des écosystèmes naturels présenteront des stocks plus importants que les sols soumis à un travail intensif.
Utilisation des sols
Presque toutes les formes d'utilisation des sols ont un impact négatif sur les stocks de carbone. Plus la biomasse qui reste sur place dans les systèmes gérés (résidus de récolte, herbe coupée, bois de couronne), plus la quantité de carbone stockée dans le sol est importante. Les perturbations du sol telles que le labour réduisent la protection physique de la matière organique, ce qui fait qu'elle se minéralise plus facilement et réduit le stockage du carbone. Par conséquent, les sols des écosystèmes naturels présenteront des stocks plus importants que les sols soumis à un travail intensif.
Texture du sol et niveau des eaux souterraines
Indépendamment de l'utilisation des terres, la teneur en humidité et en argile des sols détermine principalement leur capacité de stockage du carbone. Plus le sol est humide et plus la teneur en argile est élevée, plus le carbone peut être piégé. Les mesures de gestion telles que le drainage réduisent le stockage, tandis que les processus d'engorgement augmentent le stock de carbone du sol.
Le temps joue également un rôle important dans le stockage potentiel du carbone, en particulier dans les sols humides permanents. Au cours du développement des écosystèmes, la teneur en matière organique augmente. Les sols qui ont été sous une forêt naturelle (marécageuse) pendant des années ont accumulé de grandes quantités de carbone au fil du temps. Tant que les conditions hydrologiques et l'utilisation des terres ne changent pas, ces stocks peuvent évoluer jusqu'à un maximum et rester plus ou moins stables (situation d'équilibre). Le stock de carbone est alors à son maximum, mais le potentiel de stockage lui-même a diminué. Par exemple, les tourbières atteignent leur état d'équilibre après environ 60 ans (ce qui varie d'un type de tourbière à l'autre) et ce n'est que dans les situations de tourbières (anaérobies) que le carbone est encore séquestré. D'autre part, des changements dans l'utilisation des terres et l'hydrologie peuvent entraîner une nouvelle diminution du stock de carbone.
Sur la base de ces caractéristiques, une évaluation qualitative peut être donnée.
Dans l'outil web, un score allant de 1 pour un faible stock de carbone à 10 pour un stock de carbone potentiel très important dans le sol est établi sur la base des caractéristiques ci-dessus et de la carte ECOPLAN pour le stockage potentiel du carbone en Flandre.
Evaluation quantitative
Le calcul est basé sur 4 équations de régression différentes qui ont été établies dans le cadre du projet ECOPLAN (S. Ottoy et al. 2016; Sam Ottoy et al. 2015). Ensemble, ces équations permettent de calculer le stockage de carbone dans le sol pour la plupart des utilisations des terres jusqu'à une profondeur de 1 mètre. Les équations de régression ont été établies sur la base des bases de données les plus fiables disponibles en Flandre. La formule pour les terres arables et les prairies a été établie à partir des données sur la fertilité des sols du Service de recherche sur les sols de Belgique et de la base de données Aardewerk-Vlaanderen-2010. La formule pour la forêt est basée sur la base de données ForSite du RIOB. La comparaison des types de nature est basée sur une base de données qui a été créée au sein de la KULeuven (Van Meerbeek et al. 2014).
L'étude ne portait que sur les sols minéraux. C'est ignorer l'importance du sol forestier pour le stock de carbone sous-jacent. Pour la Flandre, Lettens et al. (2008) ont calculé un stock de carbone dans le sol forestier de 1 kg/m² sous forêt de feuillus, 2 kg/m² sous forêt mixte et 3,5 kg/m² sous forêt de conifères. Nous les ajoutons au stock de carbone calculé sous la forêt en utilisant l'équation de régression.
Les équations calculent le stock de carbone maximal potentiel. Si l'utilisation des terres ou l'hydrologie change, le stock de carbone maximal potentiel changera. Nous supposons que ce maximum (nouvelle situation d'équilibre) est atteint au bout de 100 ans. L'augmentation/diminution annuelle du stock de carbone est approximativement proportionnelle (2,5 %) à la différence restante entre la situation d'équilibre et le stock de carbone actuel. Ainsi, l'augmentation/diminution annuelle nette du carbone diminue à mesure que l'on s'approche du nouvel état d'équilibre.
Les équations sont les suivantes :
Où :
- klei : %argile
- sand : %sable
- GLG100 : hauteur basse de la nappe, en mètre
- GHG100 : hauteur haute de la nappe, en mètre
- bemesting: 1.5 Mg C ha-1 yr-1
- anthr : anthrosol selon la WRB
- podzol : podzol selon la WRB
- veen : tourbe selon la carte numérique des sols
- helling: pente (%)
- fagus, populus, quercus: présence de ces espèces selon la carte d’utilisation du sol
- betula: donnée possible rentrée par l’utilisateur. Dans notre cas, pas considérée dans l’équation
- ferraris: 1 quand forêts anciennes, 0 quand forêt non ancienne
- heide: lande
- pio: végétation pionnière
- rietland: roselière
L’outil ne fournit qu’une estimation grossière de ces stocks si l’utilisateur n'a pas les ressources ou le temps de prélever des échantillons de sol.
La méthode la plus précise pour quantifier le stock de carbone actuel consiste à prélever un échantillon de sol et à déterminer la quantité de carbone présente. L'analyse de la teneur en matières organiques coûte environ 15 € par échantillon et les résultats sont généralement disponibles en une semaine. Dans les écosystèmes à micro-relief et à végétation hétérogène, ce stock de carbone peut varier dans l'espace. Il faut au moins 15 échantillons par hectare pour obtenir une image représentative.
Si une zone subit des changements importants (déforestation, drainage) en raison d'un projet d'infrastructure ou si des travaux d'excavation ont lieu, le stock de carbone dans le sol peut être perdu. Le stock de carbone peut être libéré proportionnellement à partir du moment où le sol est excavé. Il est beaucoup plus rapide au début qu'après des décennies. Si le sol est recouvert, par exemple, de terre ou d'un revêtement, sans excavation, il n'y a probablement pas de perte de stock de carbone. Cependant, on connait peu de choses à ce sujet.
En Wallonie, la convention CARBIOSOL a permis le développement d’indicateurs de la qualité biologique et du carbone organique des sols agricoles en Wallonie. Lors de cette convention, des estimations ont également été faites en forêt pour obtenir la carte de référence belge sur l’ensemble du territoire (carte GSOC – Global Soil Organic Carbon).
Le carbone organique total dépend du pourcentage de carbone organique dans l’échantillon de sol (%SOC), de la profondeur, de la densité apparente et de la charge caillouteuse. La profondeur considérée dans l’étude est de 30 cm.
Dans CARBIOSOL, le carbone organique total est spatialisé sur base de modèles GAM (Generalise Additive Models) à une résolution de 40x40m. Les covariables environnementales utilisées dans le modèle sont : l’occupation du sol, la texture, les attributs morphométriques, la hauteur d’eau du sol, les précipitations (Chartin et al. 2017).
Les données observées utilisées pour calibrer le modèle pour la zone agricole sont les données collectées par le réseau CARBOSOL (592 sites, dont 371 sous cultures et 221 sous prairies).
Pour les sols forestiers, les données observées pour calibrer le modèle sont celles collectées par l’inventaire permanent forestier. Des ajustements ont été nécessaires car le %SOC n’est calculé que dans 10% des placettes, à une profondeur de 0-20 cm et aucune information n’était disponible sur la densité apparente ni la charge caillouteuse.
Evaluation monétaire
Afin de donner une évaluation monétaire du stockage de carbone, nous pouvons utiliser les chiffres clés de De Nocker et al. (2010). Ces chiffres sont basés sur la méthode des coûts de réduction évités: si plus de carbone est stocké dans les zones naturelles, les coûts de réduction des émissions peuvent être évités ailleurs compte tenu des objectifs environnementaux donnés. Ces chiffres clés sont basés sur les coûts des mesures de réduction des émissions qui sont nécessaires pour garantir que la température moyenne mondiale n'augmente que de 2 °C maximum par rapport au niveau préindustriel (1780). Les chiffres proviennent d'une méta-analyse des résultats de diverses études de modèles climatiques.
On notera que plus les années passent, plus les mesures à mettre en place pour rester sur une trajectoire d'émissions compatible avec l'objectif de 2 °C sont coûteuses. Les coûts marginaux augmentent dès lors fortement avec le temps et passent de 20 euros/tonne éq. CO2 en 2010 à 220 euros/tonne éq. CO2 en 2050
Tableau: Score pour l’évaluation qualitative
| Score | Limite inférieure en tonne de C/ha |
|---|---|
| 1 | 0 |
| 2 | 108 |
| 3 | 216 |
| 4 | 323 |
| 5 | 431 |
| 6 | 539 |
| 7 | 647 |
| 8 | 755 |
| 9 | 862 |
| 10 | 970 |
Points d’attention : hypothèses
- Nous supposons que la nouvelle situation d'équilibre est atteinte après 100 ans.
- Annuellement, il y a une variation proportionnelle du stock de carbone de 2,5% par rapport à la différence restante entre la situation d'équilibre à atteindre et le stock de carbone actuel. Ce chiffre est basé sur un jugement d'expert après examen de la littérature.
- Pour la situation actuelle, nous utilisons le stock de carbone maximal de l'utilisation actuelle des terres calculé par le modèle de régression. Nous comparons ensuite les deux états d'équilibre de l'utilisation actuelle et future des terres. La différence entre ces états d'équilibre est ce que nous incluons dans l'évaluation.
- Nous supposons que le carbone stocké est libéré lors de l'excavation par les travaux d'infrastructure, mais nous ne pouvons pas imposer une évolution annuelle à ce sujet.
- Les chiffres de l'évaluation sont issus d'une analyse documentaire approfondie. Pour les années intermédiaires, les chiffres clés sont extrapolés linéairement. Après 2050, la valeur en 2050 s'applique. Par défaut, dans l'outil web, nous calculons avec une valeur minimale de 100 et une valeur maximale de 366.
Les points d’attention majeurs de ce service concernent :
- les grandes incertitudes sur les données d’entrée (hauteur d’eau minimale et maximale notamment),
- le fait que les modèles de régression utilisés ont été calibrés sur des valeurs observées flamandes pour une profondeur de 1m et ne sont dès lors pas directement comparables avec les valeurs obtenues pour la Wallonie sur base des données de la carte GSOC. Une comparaison entre les deux données, les ordres de grandeur vont du simple au double, ce qui peut en partie s’expliquer par le fait que la carte GSOC mesure des stocks entre 0 et 30 cm et que NVE fournit des valeurs de stocks entre 0 et 1 m. Il conviendra donc de se concentrer sur les changements entre la situation initiale et la situation projetée et de ne pas trop s’attarder sur les valeurs absolues de ce service.
Les chiffres clés à utiliser
Tableau: Score pour l’évaluation qualitative
| Score | Limite inférieure en tonne de C/ha |
|---|---|
| 1 | 0 |
| 2 | 108 |
| 3 | 216 |
| 4 | 323 |
| 5 | 431 |
| 6 | 539 |
| 7 | 647 |
| 8 | 755 |
| 9 | 862 |
| 10 | 970 |
Tableau: Chiffres clés sur les coûts externes des gaz à effet de serre pour le stockage de carbone sur la période 2010-2050. (source : De Nocker et al. 2010)
| Année de référence(1) | euro/tonne CO2-eq | euro/tonne C (2) |
|---|---|---|
| 2010 | 20 | 73 |
| 2020 | 60 | 220 |
| 2030 | 100 | 366 |
| 2040 | 160 | 586 |
| 2050 | 220 | 805 |
(1): année de référence= année d’émission ou de stockage des gaz à effet de serre; (2) 1 tonne de C = 3.66 tonnes de CO2
Tableau: Quantités de carbone dans les sols forestiers
| Paramètres supplémentaires pour les forêts | ||
|---|---|---|
| Forêts feuillues | 1 kg/m² | 10 ton/ha |
| Forêts mixtes | 2 kg/m² | 20 ton/ha |
| Résineux | 3,5 kg/m² | 35 ton/ha |
Les valeurs obtenues à partir de ces formules constituent le stock total potentiel de la zone. Pour les convertir en stock annuel, nous supposons que la différence entre le stock actuel et le stock maximal potentiel diminue de 2,5 % par an.
Tableau: Pourcentages de sable, limon et argile par classe de texture (source : Meersmans et al. (2008) et adaptation VITO)
| Texture | % sable | % limon | % argile |
|---|---|---|---|
| Z (X) | 90 | 8 | 2 |
| S | 75 | 20 | 5 |
| P | 60 | 35 | 5 |
| L | 30 | 60 | 10 |
| A (G) | 5 | 85 | 10 |
| E | 35 | 35 | 30 |
| U | 15 | 35 | 50 |
| V | 35 | 30 | |
| Autre | 45 | 41 | 14 |
Remarque : aucune valeur n'a pu être calculée pour les classes de texture des cartes pédologiques qui n'apparaissent pas dans cette liste, à l'exception de la classe de texture G, qui a été ajoutée à A. Pour les autres classes de texture (souvent une combinaison), une moyenne a été prise des classes connues.
Traduction sous forme d’indicateur
Afin de communiquer sur ce service, et le service de stockage de carbone dans la biomasse, trois indicateurs sont proposés :
- Les coûts évités pour les mesures d'atténuation des émissions de carbone. Elle est égale à la somme de l'évaluation monétaire moyenne du service de stockage du carbone dans le sol et du service de stockage du carbone dans la biomasse,
- Les émissions annuelles de carbone d'un Flamand moyen : 3,55 t/an,
- Les émissions de carbone d'une voiture-kilomètre moyenne : 48 g/km.
Exemple de calcul
Une prairie de 150 ha sur un sol sablo-limoneux (texture L) sera aménagée en 50 ha de hêtraie, 50 ha de prairie fleurie et riche en espèces et 50 ha de marais. Le marais sera composé d'environ 25% de roseaux. La prairie était relativement sèche, avait une profondeur de nappe haute de 102 cm et basse de 150 cm et était fertilisée (1,5 tonne C/ha.an). Si l'on regarde la base de référence mondiale, il n'y a pas de Podzol présent et 20% d'Anthrozol. Nous supposons que la forêt restera sèche avec les mêmes niveaux d'eau souterraine et que la prairie riche en espèces deviendra légèrement plus humide (valeur haute de la nappe de 40 cm et basse de 90 cm). Le marais deviendra également très humide (valeur haute 30 cm, et valeur basse 40 cm).
Évaluation qualitative
Pour la zone actuelle, le C moyen dans le sol par ha est de 150 tonnes C/ha : un score de 2.
Pour la zone future, ce stock augmentera légèrement pour atteindre une moyenne de 174 tonnes C/ha : cela reste un score 2.
Évaluation quantitative
Nous ne disposons pas d'échantillons de sol. Nous calculons donc le stock de carbone potentiel dans le cadre de l'utilisation actuelle des terres, sur la base des formules. Elle est calculée à l'aide de la formule pour les prairies. Nous supposons que la zone actuelle est en équilibre et que le stock actuel est donc égal au stock de carbone maximal calculé (22 500 tonnes de carbone).
Zone actuelle :
Calcul du potentiel (texture du sol L, GES/GLG 102/150) :
(8,6475 + 0,0290 x 30 - 0,0041 x 1.5 + 2,2362 x 1,5 + 0,9863 x 0 + 4,1541 x 0.2 + 7,3375 x 0 - 0,00004 x 150 x 30) ∗10= 150 tonnes C/ha
Avec les formules, nous calculons le stock potentiel dans le cadre de l'utilisation future des terres (voir les formules prairie, forêt et nature). Le stock potentiel dans le cadre de l'utilisation future des terres est de 2663 tonnes de carbone et se répartit comme suit entres les différentes utilisation du sol :
Utilisation future des terres :
Calcul du stock potentiel des prairies fleuries (50 ha de prairie fleurie) (texture du sol L, GES/GLG 40/90 cm) : (13.8572+0.2006 x 10-0.0126 x 0.9+13.4339 x 0+4.2009 x 0 -3.5461 x 0 +1.9306 x 0 +2.1491 x 0) x 10=159 tonnes C/ha
Calcul du stock forestier potentiel (texture du sol L, GES/GLG 102/150)
(13,6456+0,2451 x 10-0,0021 x 1,5+13,8138 x 0 -2,1068 x 0 -0,4378 x 1 +1,5349 x 0 + 4,7563 x 0,25 - 3,7087 x 0 +21,5834 x 0 +55,7464 x 0 +3,9704 x 0,75 +2,6497 x 0 -1,5441 x 0 +0,6699 x 0) x 10 +10 tonnes/ha pour le sol forestier sous forêt de feuillus = 208 tonnes C/ha
Calcul du stock potentiel de marais
(13.8572+0.2006 x 10-0.0126∗0.4+13.4339 x 0+4.2009 x 0-3.5461 x 0+1.9306 x 0+2.1491 x 1)∗10=180 ton C/ha
(13.8572+0.2006 x 10-0.0126∗0.4+13.4339 x 0+4.2009 x 0-3.5461 x 0+1.9306 x 0+2.1491 x 0)∗10=159 ton C/ha
L'augmentation/diminution annuelle du stock de carbone est approximativement proportionnelle (2,5 %) à la différence restante entre la condition d'équilibre à atteindre et le stock de carbone actuel.
Au cours de l'année 1, cette différence correspond à l'estimation basse : (159 tonnes C/ha - 150 tonnes C/ha) x 2,5% x 50 ha (prairie) + (208 tonnes C/ha - 150 tonnes C/ha) x 2,5% x 50 ha (forêt) +( 180 tonnes C/ha -150 tonnes C/ha)(roselière) x 2,5% x 12,5 ha)+(159-150)(marais résiduel) x 2,5% x 37,5 ha)= 101,56 tonnes C/an.
Évaluation monétaire
Sur la base du calcul ci-dessus, il apparaît que le changement d'affectation des sols présente un avantage annuel compris entre 10 156 € (101,56 tonnes C x 100 €/tonne C) et 37 172 € (101,56 tonnes C x 366 €/tonne C).
Indicateur
Le coût évité grâce au stockage de C est en moyenne égal à 20 664 €/an.
Le carbone stocké en plus est égal aux émissions annuelles de 29 Flamands (101,56/3,55) et à 2,1 millions de kilomètres parcourus en voiture (101,56 tonnes x 10000/48 g).